Министерство образования и высшей школы Республики Коми
Управление образования администрации МО «Городской округ Усинск»
Муниципальная средняя общеобразовательная школа 5
Реферат
по физике
на тему: «Электрические явления»
2008 г.
Оглавление
Введение
Основная часть
Заключение
Список использованной литератуы
Введение
Электричество – совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием электрически зараженных тел или частиц, Взаимодействие электрических зарядов осуществляется с помощью электромагнитного поля ( в случае неподвижных электрических зарядов – электростатические поля). Движущиеся заряды (электрический ток) наряду с электрическим возбуждают и магнитное поле, т.е. порождают электромагнитное поле, посредством которого осуществляется электромагнитное взаимодействие(учение о магнетизме, т.о., является составной частью общего учения об электричестве). Электромагнитные явления описываются классической электродинамикой, в основе которой лежат уравнения Максвелла.
Законы классической теории электричества охватывают огромную совокупность электромагнитных процессов. Среди 4 типов взаимодействий ( электромагнитных, гравитационных, сильных и слабых), существовавших в природе, электромагнитные занимают первое место по широте и разнообразию проявлений. Это связано с тем, что все тела построены из электрически заряженных частиц противоположенных знаков, взаимодействие между которыми, с одной стороны, на много порядков интенсивнее гравитационных и слабых, а с другой – являются дальнодействующими в отличии от сильных взаимодействий, Строение атомных оболочек, сцепление атомов в молекулы (хим. Силы) и образование конденсированного вещества определяются электромагнитным взаимодействием.
Цель Реферата в том, чтобы показать, что человечество не мыслит своё существование на Земле без электричества.
Историческая справка. Простейшие электрические и магнитные явления известны ещё с глубокой древности. Были найдены минералы, притягивающие кусочки железа, а также обнаружено, что янтарь( от греческого электрон, отсюда термин электричества), потертый о шерсть, притягивает легкие предметы (электризация трением). Однако лишь в 1600 У. Гильберт впервые установил различия между электрическими и магнитными явлениями, Он открыл существование магнитных полюсов и неотделимость их друг от друга, а также установил, что земной шар – гигантский магнит.
В 17 – 1-й пол. 18 вв. проводились многочисленные опыты с наэлектризованными телами, были построены первые электростатические машины, основанные на электризации тернием, установлено существование электрических зарядов двух родов (Ш. Дюфе), обнаружена электропроводность металлов (англ. Ученый С. Грей). С изобретением первого конденсатора – лейденские банки (1745) – появилась возможность накапливать большие электрические заряды. В 1747-53 Б. Франклин изложил первую последовательную теорию электрических явлений, окончательно установил электрическую природу молнии и изобрел молниеотвод.
Во 2-й пол. 18 в. Началось количественное изучение электрических и магнитных явлений, Появились первые измерительные приборы – электроскопы различных конструкций, электрометры. Г. Кавендиш (1773) и Ш. Кулон (1785) экспериментально установили закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов ( работы Кавендиша были опубликованы лишь в 1879). Этот основой закон электростатики (Кулона закон) впервые позволил создать метод измерение электрических зарядов по силам взаимодействия между ними, Кулон установил также закон взаимодействия между полюсами длинных магнитов и ввёл понятие о магнитных зарядах, сосредоточенных на концах магнитов.
Следующий этап в развитии науки об электричестве связан с открытием в кон. 18 в. Л. Гальвани «животного электричества» и работами А. Вольты, который правильно истолковал опыты Гальвани присутствием в замкнутой цепи 2 разнородных металлов в жидкости и изобрел первый источник электрического тока – гальванический элемент(вольтов столб 1800), создающий непрерывный(постоянный) ток в течение длительного времени, В 1802 В.В. Петров, построив гальванический элемент значительно большей мощности, открыл электрическую дугу, исследовал её свойства и указал на возможность применения её для освещения, а также для плавления и сварки металлов. Г. Дэви электролизом водных растворов щелочей получил (1807) неизвестные ранее металлы – натрий и калий. Дж. П. Джоуль установил (1841), что количество теплоты, выделяемой в проводнике электрическим током, пропорциональна квадрату силы тока; этот закон был обоснован (1842) точными экспериментами Э. Х. Ленца (закон Джоуля – Ленца). Г.Ом установил (1826) количество зависимости электрического тока от напряжения в цепи. К. Ф. Гаусс сформулировал (1830) основную теорему электростатики (теорема Гаусса).
Наиболее фундаментальное открытие было сделано Х. Эрстедом в 1820; он обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку – явление, свидетельствовавшее о связи между электричеством и магнетизмом. Вслед за этим в том же году А. М. Ампер установил закон взаимодействия электрических токов(закон Ампера) Он показал также, что свойства постоянных магнитов могут быть объяснены на основе предположения о том, что в молекулах намагниченных тел циркулируют постоянные электрические токи(молекулярные токи). Т. О., согласно Амперу, все магнитные явления сводятся к взаимодействиям токов, магнитных же зарядов не существует. Со времени открытий Эрстеда и Ампера учение о магнетизме сделалось составной частью учений об электричестве
Со 2-й четв. 19 в. Началось быстрое проникновение электричества в технику. В 20-х гг. появились первые электромагниты. Одним из первых применений электричества был телеграфный аппарат, в 30 — 40-х гг. построены электродвигатели и генераторы тока, а в 40-х гг. – электрические осветительные устройства и т. д. Практическое применения электричества в дальнейшем всё более возрастало, что в свою очередь оказало существенное влияние на учение об электричестве.
В 30 – 40-х гг. 19 в. В развитие науки об электричестве внёс большой вклад М.
Фарадей- творец общего учения об электромагнитных явлениях, в в котором все электрические и магнитные явления рассматриваются с единой точки зрения. С помощью опытов он доказал, что действие электрических зарядов и токов не зависят от способа их получения [до Фарадея»обыкновенное» (полученное при электризации трением), атмосферное, «гальваническое», магнитное, термоэлектрическое, «животное» и др. виды электричества]. В 1831 Фарадей открыл индукцию электромагнитную – возбуждения электрического тока в контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Это явление (наблюдавшееся в 1832 также Дж. Генри) составляет фундамент электротехники. В 1833-34 Фарадей установил законы электролиза; эти его работы положили начало электрохимии. В дальнейшем он, пытаясь найти взаимосвязь электрических и магнитных явлений с оптическими, открыл поляризацию диэлектриков (1837), явления парамагнетизма и диамагнетизма (1845), магнитное вращение плоскости поляризации света (1845) и др.
Фарадей впервые ввёл представление об электрических и магнитных полях. Он отрицал концепцию дальнодействия, сторонники которой считали, что тела непосредственно (через пустоту) на расстояние действуют друг на друга. Согласно идеям Фарадея, взаимодействия между зарядами и токами осуществляется посредством промежуточных агентов: заряды и токи создают в окружающем пространстве электрические или магнитные поля, с помощью которых взаимодействие передается от точки к точке (концепция близкодействия). В основе его представлений об электрических и магнитных полях лежало понятие силовых линий, которые он рассматривал, как механические образования в гипотетической среде – эфире, подобные растянутым упругим нитям или шнурам.
Идеи Фарадея о реальности электромагнитного поля не сразу получили признание, Первая математическая формулировка законов электромагнитной индукции была дана Ф Нейманом в 1845 на языке концепции дальнодействия. Им же были введены важные понятия коэффициентов само- и взаимодукции токов. Значение этих понятий полностью раскрылось позднее, когда У. Томсон ( лорд Кельвин) развил (1853) теории электрических колебаний в контуре, состоящем из конденсатора (электроёмкость) и катушки (индуктивность.
Большое значения для развития учения об электричестве имело создание новых приборов и методов электрических измерений, а также единая система электрических и магнитных единиц измерений,, созданная Гауссом и В. Вебером (система единиц гаусса). В 1846 Вебер указал на связь силы тока с плотностью электрических зарядов в проводнике и скоростью их упорядочного перемещения. Он установил также закон взаимодействия движущихся точечных зарядов, который содержал новую универсальную электродинамическую постоянную, представляющею собой отношение электростатических и электромагнитных единиц заряда и имеющею размерность скорости. При экспериментальном определении ( Вебер и Ф. Кольрауш, 1856) этой постоянной было получено значение, близкое к скорости света; это явилось определенным указанием на связь электромагнитных явлений с оптическими.
В 1861 – 73 учение об электричестве получило своё развитие и завершение в работах Дж. К. Максвелла. Опираясь на эмпирические законы электромагнитных явлений, и введя гипотезу о порождение магнитного поля переменным электрическим полем, Максвелл сформулировал фундаментальные уравнения классической электродинамики, названные его именем. При этом он, подобно Фарадею, рассматривал электромагнитные явления как некоторую форму механических процессов в эфире. Главное новое следствие, вытекающее из этих уравнений,- существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Уравнения Максвелла легли в основу электромагнитной теории света. Решающее подтверждение теория Максвелла нашла в 1886-89, когда Г. Герц экспериментально установил существование электромагнитных волн. После его открытия были предприняты попытки установить связь с помощью электромагнитных волн, завершившиеся созданием радио, и начались интенсивные исследования в области радиотехники.
В конце 19- начале 20 вв. начался новый этап в развитии теории электричества. Исследования электрических разрядов увенчались открытием Дж. Дж. Томсоном дискретности электрических зарядов. В 1897 он измерил отношение заряда электрона к его массе, а в 1898 определил абсолютную величину заряда электрона. Х. Лоренц, опираясь на открытия Томсона и выводы молекулярнокинетической теории, заложил основы электронной теории строения вещества ( уравнения Лоренца –Максвелла). В классической электронной теории вещество рассматривается как совокупность электрических заряженных частиц, движение которых подчинено законом классической механике. Уравнение Максвелла получаются из уравнений электронной теории статическим усреднением.
Попытки применение законов классической электродинамики к исследованию электромагнитных процессов в движущихся средах натолкнулись на существенные трудности. Стремясь разрешить их, А. Эйнштейн пришел (1905) к теории относительности. Эта теория окончательно опровергла идею существования эфира, наделённого механическими свойствами. После создания теории относительности стало очевидно, что законы электродинамики не могут быть сведены к законам классической механики.
На малых пространственно-временных интервалах становятся существенными квантовые свойства электромагнитного поля, не учитываемые классической теорией электричества. Квантовая теория электромагнитных процессов – квантовая электродинамика – была создана во 2-й четв. 20 века. Квантовая теория вещества и поля уже выходит за пределы учения об электричестве, изучает более фундаментальные проблемы, касающиеся законов движения элементарных частиц и их строения.
С открытием новых фактов и создание новых теорий значение классического учения об электричестве не уменьшилось, были определены лишь границы применимости классической электродинамики. В этих пределах уравнения Максвелла и классическая электронная теория сохраняют силу, являясь фундаментом современной теории электричества. Классическая электродинамика составляет основу большинства разделов электротехники, радиотехники, электроники и оптики (исключение составляет квантовая электроника). С помощью её уравнений было решено огромное число задач теоретического и прикладного характера. В частности, многочисленные проблемы поведения плазмы в лабораторных условиях и в космосе решаются с помощью уравнений Максвелла.
ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ТЕЛ. СТРОЕНИЕ АТОМА ЛЕГЕНДА ОБ ОТКРЫТИИ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ
Древние греки очень любили украшения и мелкие поделки из янтаря, названного ими за его цвет и блеск «электрон» - что значит «солнечный камень». Отсюда произошло, правда много позже, и самое слово электричество.
Способность янтаря электризоваться была известна давно. Впервые исследованием этого явления занялся знаменитый философ древности Фалес Милетский. Вот как об этом рассказывает легенда.
Дочь Фалеса пряла шерсть янтарным веретеном, изделием финикийских мастеров. Как-то, уронив веретено в воду, девушка стала обтирать его краем своего шерстяного хитона и заметила, что к веретену пристало несколько шерстинок. Думая, что они прилипли к веретену, потому что оно все еще влажно, она принялась вытирать его еще сильнее. И что же? Шерстинок налипало тем больше, чем сильнее натиралось веретено. Девушка обратилась за разъяснением этого явления к отцу. Фалес понял, что причина в веществе, из которого сделано веретено, и в первый же раз, как к пристани Милета подошел корабль финикийских купцов, он накупил различных янтарных изделий и убедился, что все они, будучи натерты шерстяной материей, притягивают легкие предметы, подобно тому, как магнит притягивает железо.
Получение и обнаружение электрических зарядов. Вы можете повторить опыт дочери Фалеса Милетского. Янтарные изделия для этого иметь не обязательно — воспользуйтесь любым стеклянным или пластмассовым предметом.
Потрите, например, пластмассовую расческу о газету. Поднесите ее к соринкам, шерстинкам, маленьким кусочкам бумаги. Какое явление вы наблюдаете? Как оно называется? Отличается ли эта расческа чем-нибудь от той, которую не натирали?
Наличие электрического заряда на расческе можно проверить с помощью следующих самодельных приборов:
1. Соберите из двух деревянных палочек, дощечки и пластилина штатив, подобный тому, который показан на рисунке 81. Чувствительной частью прибора, обнаруживающего наличие электрического заряда, может служить легкая бумажная бабочка, которую надо подвесить на шелковой нити к штативу.
Натрите стеклянный или пластмассовый предмет газетой или шелковой материей. Поднесите его к бабочке. Пронаблюдайте, как бабочка притянется к наэлектризованному предмету.
Вырежьте из картона фигурку «человечка» и приколите кнопкой к ее плечу подвижную, вырезанную из тонкой папиросной бумаги руку. Расширьте немного прокол, чтобы рука могла свободно вращаться. Укрепите «человечка» на подставке или на нити. Подносите к нему наэлектризованные тела. Человечек будет вытягивать руку, указывая ею на электрический заряд (рис.1).
•3. Вырежьте из фольги фигурку «человечка». Можно для этого использовать также тонкий картон, оклеенный фольгой. В этом случае удобнее вначале оклеить картон, а потом вырезать из него ножницами фигурку. Подвесьте ее на шелковой нитке, руки вставьте в прорезь, сделанную у плеча (руки изготовьте из того же материала, что и фигурку).
Прикоснувшись к «человечку» наэлектризованным телом, вы увидите, как он разведет руки в стороны (рис. 2). Дотронувшись до «человечка» пальцем, убедитесь, что он опускает руки. Объясните наблюдаемое явление.
Как называется прибор, модель которого вы сделали?
ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ТРЕНИЕМ НА ПРОИЗВОДСТВЕ И В БЫТУ
Технический прогресс не только расширяет возможности человека, его власть над природой, но одновременно ставит множество новых проблем. Так, например, сегодня в различных отраслях промышленности используются сильные электрические поля, широко внедряется в быт синтетика, а синтетические материалы обладают способностью накапливать электрические заряды. И приходится решать проблемы, связанные с влиянием электрических полей на технологические процессы, на организм человека.
Вот несколько примеров.
На одном из целлюлозно-бумажных комбинатов некоторое время не могли установить причину частых обрывов быстро движущейся бумажной ленты. Были приглашены ученые. Они выяснили, что причина заключалась в электризации ленты при трении ее о валки.
Такая «самопроизвольная» электризация весьма опасна, так как может стать причиной пожара.
При трении о воздух электризуется самолет. Поэтому после посадки к самолету нельзя сразу же приставлять металлический трап: может возникнуть разряд, который вызовет пожар. Сначала самолет «разряжают»: опускают на землю металлический трос, соединенный с обшивкой самолета, и разряд происходит между землей и концом троса.
Разряды электричества возникают и тогда, когда человек ходит по полимерным покрытиям полов современной квартиры, синтетическим коврам или снимает с себя нейлоновую одежду.
Есть ли способы и средства для борьбы с накоплением электрических зарядов? Безусловно, есть.
На производстве — это тщательное заземление станков, машин, применение токопроводящих пластиков для полов, увлажнение воздуха, использование различного рода «нейтрализаторов» (по условиям производства — индукционных, электрических, радиоизотопных, электроаэрозольных и др.).
В домашних условиях устранить заряды статического электричества довольно легко, повышая относительную влажность воздуха квартиры до 60—70% (для этого можно использовать электрические увлажнители). Электризация устраняется, если к воде, которой протирают пластиковые полы, добавить гидрофильные вещества, например хлорид кальция, а также если протирать электризующиеся поверхности глицерином. Химическая промышленность сейчас выпускает препарат «Антистатик», который снимает электрический заряд с синтетической одежды.
При соприкосновении наэлектризованного тела с заземленной поверхностью происходит электрический разряд. Влияние его на организм человека также изучается.
В результате исследований, проведенных в Ленинграде, было установлено, что разрядный ток силой до 20 мкА не вызывает заметных физиологических сдвигов в организме человека даже при длительном воздействии. Следовательно, разряды, возникающие в быту и при большинстве технологических процессов в результате соприкосновения наэлектризованного человеческого тела с заземленной поверхностью, не опасны для здоровья.
Следует отметить, что электризация синтетического белья, возникающая во время носки, оказывается даже полезной. Например, известно, что поливинилхлоридное белье помогает при лечении некоторых болезней.
Сильные электрические поля используются в медицине при создании электроаэрозолей. Они представляют собой лекарственные или другие биологические вещества, распыленные в электростатическом поле и обладающие целым рядом свойств, выгодно отличающих их от обычных аэрозолей: капельки электроаэрозоля сильнее измельчаются, меньше слипаются, при определенных условиях они глубже проникают в легкие (вплоть до мельчайших легочных ячеек — альвеол), создавая в них запасы постепенно всасывающихся лекарственных или биологически активных веществ.
ОПЫТ ИОФФЕ И МИЛЛИКЕНА
В начале XX в. советский физик Абрам Федорович Иоффе и американский ученый Роберт Милликен (независимо друг от друга) проделали опыты, доказавшие существование частиц, имеющих наименьший электрический заряд, и позволившие измерить этот заряд.
В чем заключался опыт, вам известно из учебника. Мы хотим рассказать немного о жизни и деятельности этих физиков и процитировать отрывки из их книг, где они рассказывают о своем эксперименте.
Абрам Федорович Иоффе родился в 1880 г. на Украине в г. Ромны. Окончил Петербургский технологический институт в 1902 г. и уехал в Германию продолжать образование. Он учился в Мюнхенском университете, который окончил в 1905 г. Его учителем был знаменитый В. Рентген. В 1906 г. Иоффе вернулся в Россию с дипломом доктора философских наук Мюнхенского университета и начал научно-педагогическую деятельность в Петербургском политехническом институте. В 1915 г. ему присвоили степень доктора Петербургского университета за исследование упругих и электрических свойств кварца.
После Октябрьской революции по его предложению и под его руководством во вновь созданном Государственном институте рентгенологии и рентгенографии организуется физико-технический отдел. Обстановка, в которой пришлось вести работу, была сложной: шла гражданская война; молодое Советское государство находилось в кольце врагов, которых поддерживали капиталисты всего мира; голод; разруха; старые научные кадры не все приняли революцию, часть уехала за границу; научные связи с другими странами почти полностью прерваны. И в это время А. Ф. Иоффе при содействии А. В. Луначарского создал в Петрограде научное учреждение, которое стало родоначальником большого числа научно-исследовательских институтов нашей страны.
В 1921 г. физико-технический отдел Государственного института рентгенологии и рентгенографии выделился в самостоятельный Физико-технический институт, руководителем которого стал А. Ф. Иоффе. А впоследствии из этого института выделились и стали самостоятельными научными учреждениями Украинский физико-технический институт, Уральский физико-технический институт, Институт химической физики и многие другие.
Видные ученые нашей страны И. В. Курчатов, П. Л. Капица, Н. Н. Семенов, Л. Д. Ландау, Б. П. Константинов, И. К. Кикоин и многие другие начинали свою научную работу под руководством А. Ф. Иоффе, считают себя его учениками и всегда с большой теплотой и любовью вспоминают о нем.
«Абрам Федорович Иоффе с первых дней революции встал на сторону Советской власти, он стал одним из выдающихся руководителей фронта физического образования и науки. Огромный талант ученого, педагога, организатора, а также доброжелательное отношение к людям, личное обаяние, преданность общественным интересам — все это определило неоценимый вклад А. Ф. Иоффе в развитие советской физики. Многие мои товарищи — физики, как и я сам,— считают и называют академика Иоффе отцом советской науки, и это мнение, я верю, будет общепризнанным в истории советской науки»,— писал академик Б. П. Константинов.
Научная деятельность Иоффе была широка и многообразна. Он был прекрасным экспериментатором, занимался вопросами физики полупроводников, много внимания уделял внедрению результатов научных исследований, принимал участие в разработке военной техники, в частности им был предложен принцип радиолокации для обнаружения неприятельских самолетов, интересовали его и возможности использования достижений науки в сельском хозяйстве.
Большая научная и организаторская деятельность А. Ф. Иоффе получила широкое признание в стране. Он был избран действительным членом Академии наук СССР, ему было присвоено звание Героя Социалистического Труда, звание заслуженного деятеля науки СССР, он был удостоен Государственной премии первой степени, награжден двумя орденами Ленина. Многие зарубежные академии и университеты избрали его своим почетным членом.
А. Ф. Иоффе скончался 14 октября 1960 г., не дожив две недели до своего восьмидесятилетия.
Роберт Милликен родился в 1868 г. в штате Иллинойс в семье священника. Детство его прошло в маленьком городке Маквокета. В 1893 г. он поступил в Колумбийский университет, затем учился в Германии.
В 28 лет его пригласили преподавать в Чикагский университет. Вначале он занимался почти исключительно педагогической работой и только в сорок лет начал научные исследования, принесшие ему мировую славу.
«Одним из первых в ряду блестящих экспериментаторов, основавших и обосновавших новую физику, следует назвать Роберта Милликена… Характерной чертой исследований Милликена является их совершенно исключительная точность. Милликен во многих случаях повторял опыты, придуманные и даже выполненные другими лицами, но делал их с такой тщательностью и осмотрительностью, что его результаты становились бесспорной и неизбежной базой теоретического построения. Основная заслуга Милликена — измерение величины заряда электрона е и постоянной теории квантов А»,— писал об этом ученом академик С. И. Вавилов.
За свои экспериментальные исследования Р. Милликен в 1924 г. был удостоен Нобелевской премии.
Умер Милликен в 1953 г.
Как же удалось измерить заряд отдельного электрона?
Вот что пишут о своих опытах А. Ф. Иоффе и Р. Милликен.
А. Ф. Иоффе: «… В камере А создавались мелкие пылинки цинка, которые через узкое отверстие падали в пространство между двумя заряженными пластинками. Заряженная пылинка падает вниз, испытывая, как и всякое тело, силу тяжести. Но если она заряжена, на нее действуют и электрические силы в зависимости от знака заряда по направлению снизу вверх или сверху вниз. Подобрав электрический заряд пластинок, можно было остановить каждую падающую частичку так, чтобы она неподвижно повисла в воздухе. Мне удавалось целый день держать частичку в таком состоянии. Когда же на нее падал пучок ультрафиолетового света, он уменьшал заряд. Это сразу можно было заметить по тому, что с изменением заряда электрическая сила уменьшалась, тогда как сила тяжести не изменялась: равновесие нарушалось, частичка начинала падать.
Приходилось подбирать другой заряд пластинок, чтобы снова остановить цинковую пылинку. И каждый раз мы имели возможность измерить ее заряд...
… Можно было снять 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1… до 50 зарядов, но это было всегда целое число электронов. Оказалось, что какое бы вещество мы ни взяли, будь то цинк, масло, ртуть, будет ли это действие света, или нагревание, или другое воздействие,— всякий раз, как тело теряет заряд, оно всегда теряет по целому электрону. Значит, можно было заключить, что в природе существуют только целые электроны».
Р. Милликен: «… При помощи обыкновенного распылителя в камеру С впускалась струя масла. Воздух, посредством которого вдувалась струя, освобождался сперва от пыли путем пропускания через трубку со стеклянной ватой. Капельки масла, составлявшие струю, были весьма малы; радиус большинства их был порядка 0,001 мм. Эти капельки медленно падали в камере С, иногда некоторые из них проходили сквозь маленькое отверстие р в центре круглой латунной пластинки М диаметром в 22 см, состав-лявшей одну из пластин воздушного конденсатора. Другая пластина — N —была укреплена на 16 мм ниже при помощи трех эбонитовых стоек а. Пластины эти могли заряжаться (одна положительно, а другая отрицательно) при помощи переключателя 5, соединявшего их с полюсами 10 000-вольтовой аккумуляторной батареи В. Капельки масла, появлявшиеся вблизи р, освещались сильным пучком света, проходившего сквозь два окошечка, расположенных в эбонитовом кольце одно против другого. Если смотреть через третье окошечко О, направленное к читателю, капля представляется яркой звездочкой на темном фоне. Капли, проходившие через отверстие р, оказывались обыкновенно сильно заряженными вследствие трения при вдувании струи...
… Капли, имеющие заряды одного знака с верхней пластинкой, а также имеющие слишком слабые заряды противоположного знака, быстро падают. Те же капли, которые имеют слишком много зарядов противоположного знака, быстро притягиваются верхней пластинкой, преодолевая силу тяжести. В результате через 7 или 8 мин поле зрения вполне проясняется, и в нем остается только сравнительно небольшое число капель, а именно те, которые имеют заряд, как раз достаточный, чтобы поддерживаться электрическим полем. Эти капли представляются отчетливо видимыми яркими точками. Я несколько раз получал только одну такую звездочку во всем поле, и она держалась там около минуты...
… Во всех случаях, без всякого исключения, оказывалось, что как первоначальный заряд, возникший на капле вследствие трения, так и многочисленные заряды, захваченные каплей у ионов, равны точным кратным наименьшего заряда, захваченного из воздуха. Некоторые из этих капель не имели первоначально никакого заряда, а затем захватывали один, два, три, четыре, пять, шесть или семь элементарных зарядов или электронов. Другие капли первоначально имели семь или восемь, иногда двадцать, иногда пятьдесят, иногда сто, иногда сто пятьдесят элементарных единиц и захватывали в каждом случае один или несколько десятков элементарных зарядов в продолжение наблюдений. Таким образом, наблюдались капли со всевозможным числом электронов между одним и ста пятьюдесятью… Когда число их не превышает пятидесяти, то ошибка тут так же невозможна, как и при счете собственных пальцев. Однако при подсчете электронов в заряде, в котором их содержится свыше ста или двухсот, нельзя быть уверенным в отсутствии ошибки… Но совершенно невозможно себе представить, чтобы большие заряды, как, например, те, с которыми мы имеем дело в технических применениях электричества, были построены, по существу, иначе, чем те малые заряды, которые мы можем сосчитать...
… Где бы ни встречался электрический заряд — на изоляторах или на проводниках, в электролитах или металлах,— везде он обладает резко выраженным зернистым строением. Он состоит из целого числа единиц электричества (электронов), которые все одинаковы. В электростатических явлениях эти электроны рассеяны по поверхности заряженного тела, а в электрическом токе они движутся вдоль проводника».
ОПЫТ РЕЗЕРФОРДА
Суть опыта Резерфорда, как вы знаете, заключалась в следующем. На пути узкого пучка альфа-частиц, испускаемых радиоактивным веществом, помещалась очень тонкая металлическая фольга из золота. Регистрировались альфа-частицы с помощью экрана из светящегося состава (сернистый цинк), расположенного вокруг мишени.
Чего можно было бы ожидать в результате попадания альфа-частиц в атомы золота, если бы атомы золота были сплошными шариками? Станут ли они расталкивать атомы золота, пробиваясь между ними, или же будут отскакивать от них в разные стороны?
Если альфа-частицам нужно будет как-то пробираться через гущу атомов золота, то им, естественно, придется претерпевать множество столкновений с ними, сотни и тысячи раз менять свое направление. И как следствие альфа-частицы будут рассеиваться, т. е. вылетать из золотого листка по самым различным направлениям .
На деле оказалось совсем не так. Подавляющая часть альфа-частиц проходила сквозь металл, почти не отклоняясь от прямолинейного пути, и лишь немногие отклонялись на большие углы, а иногда даже отскакивали назад .
Вспоминая через 20 лет об этих своих первых опытах, Резерфорд говорил: «Это было, пожалуй, самое невероятное явление, которое когда-либо встречалось в моей жизни. Оно было почти таким же невероятным, как если бы вы обстреливали 15-дюймовыми снарядами лист самой тонкой бумаги, а они отскакивали бы обратно и попадали в вас. После размышления над этим обстоятельством я убедился, что это обратное рассеивание могло быть результатом только прямого попадания. Но когда я произвел нужные расчеты, то увидел, что полученный результат по величине тоже невероятен, за исключением того единственного случая, когда вы имеете дело с системой, в которой большая часть массы атома сконцентрирована в ничтожно малом ядре».
Электрометр
Электрометр — прибор, позволяющий измерить электрический заряд, впервые был построен русским академиком Г. В. Рихманом, другом М. В. Ломоносова.
Об устройстве этого электрометра Рихман писал: «Указатель «электричества» (рис. 88) представляет собой вертикально расположенную металлическую линейку длиной около 52 см и массой около 615 г, к которой подводится электрический заряд от электрической машины. К линейке прикрепляется льняная нить длиной около 61 см и массой около 45 мг. Угол отклонения нити фактически позволяет измерить электрическую силу».
Громоотвод
1780 г. Небольшой городок Сент-Оморе во Франции. Один из жителей установил на своем доме громоотвод. Его соседи были так напуганы и возмущены этим фактом, что возбудили судебное дело против владельца громоотвода. Процесс длился около четырех лет и наделал много шума. Интересно отметить, что в качестве защитника на суде выступал М. Робеспьер, в то время еще молодой адвокат. Одним из экспертов со стороны истца был Марат, известный ученый и публицист, а впоследствии выдающийся деятель французской революции. Марат считал громоотвод опасной затеей и был против его установки. После долгой борьбы М. Робеспьер выиграл процесс.
ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКАОПЫТЫ ГАЛЬВАНИ
В конце 1780 г. профессор анатомии в Болонье Л. Гальвани занимался в своей лаборатории изучением нервной системы отпрепарированных лягушек.
Совершенно случайно получилось так, что в той же комнате работал его приятель-физик, производивший опыты с электричеством. Одну из препарированных лягушек Гальвани положил на стол, на котором стояла электрическая машина.
В это время в комнату вошла жена Гальваии. Ее взору предстала жуткая картина: при искрах в электрической машине лапки мертвой лягушки, прикасавшиеся к железному предмету (скальпелю), дергались. Жена Гальвани с ужасом указала на это мужу.
Столкнувшись с необъясненным явлением, Гальвани счел за лучшее детально исследовать его на опыте. «Я считал, что сделаю нечто ценное,— писал Гальвани,— если кратко и точно изложу историю моих открытий в таком порядке и расположении, в каком мне их доставил отчасти случай и счастливая судьба, отчасти трудолюбие и прилежание. Я сделаю то, чтобы дать как бы факел в руки тех, кто пожелает пойти по тому же пути исследования».
Последуем же за Гальвани в его опытах.
«Я разрезал лягушку и положил ее без всякого умысла на стол, где на некотором расстоянии стояла электрическая машина. Случайно один из моих ассистентов дотронулся до нерва лягушки скальпелем и в тот же момент мускулы лапки содрогнулись как бы в конвульсиях.
Другой ассистент, обыкновенно помогавший мне в опытах по электричеству, заметил, что явление это происходило лишь тогда, когда из машины извлекалась искра.
Пораженный новым явлением, я тотчас же обратил на него внимание, хотя замышлял в этот момент совсем иное и был всецело поглощен своими мыслями. Меня охватила неимоверная жажда и рвение исследовать это и пролить свет на то, что было под этим скрыто».
Гальвани решил, что все дело в электрических искрах. Чтобы получить более сильный эффект, он во время грозы вывесил на балкон несколько отпрепарированных лягушачьих лапок на медных проволочках. Однако молнии -гигантские электрические разряды никак не повлияли на поведение отпрепарированных лягушек. Что не удалось молнии, сделал ветер. При порывах ветра лягушачьи лапки раскачивались и иногда касались железных прутьев балкона. Как только это случалось, лапки дергались. Гальвани, однако, отнес явление все-таки на счет грозовых электрических разрядов.
«После успешных опытов во время грозы я пожелал,— пишет Гальвани,— обнаружить действие атмосферного электричества в ясную погоду. Поводом для этого послужило наблюдение, сделанное мною над заготовленными лапками лягушки, которые, зацепленные медным крючком, были подвешены на железную решетку забора моего сада: лапки содрогались не только во время грозы, но и тогда, когда небо было совершенно ясно. Подозревая, что эти явления происходят вследствие изменения атмосферы в течение дня, я предпринял опыты.
Когда я производил опыт под открытым небом, я был склонен принять теорию, что сокращения возникают вследствие атмосферного электричества, которое, постепенно проникнув в животное и собравшись в нем, неожиданно разряжалось, когда крючок приходил в соприкосновение с железными перилами.
Но, однако, в продолжение ряда дней в различные часы я наблюдал подвешенную на заборе лапку, но не обнаружил каких-либо движений в ее мускулах.
Когда же я перенес лягушку в комнату, положил на железную дощечку и прижал медный крючок к дощечке, те же самые спазматические содрогания были налицо.
Так легко обманываем мы себя при опытах и думаем, что действительно видели то, что желаем видеть.
Я производил опыт с разными металлами в различные часы дня в разных местах — результат был один и тот же, разница была в том, что содрогания были более сильные при одних металлах, чем при других.
Затем я испытал различные тела, которые не являются проводником электричества, например стекло, смолу, резину, камень и сухое дерево.
Явлений не было.
Это было несколько неожиданно и заставило меня предположить, что электричество находится внутри животного...»
Эта длинная цитата — интересная иллюстрация творческого метода Гальвани. Он провел, по сути дела, все эксперименты, чтобы получить правильные выводы. Отдадим дань его умению ставить эксперименты. Он показал, что для эффекта необходимы металлы, что при наличии тел, не являющихся проводниками электричества, никакого эффекта нет, наконец, он показал даже, что разные металлы дают разную степень эффекта.
Но правильного вывода Гальвани не сумел сделать. Будучи врачом, а не физиком, он видел причину в так называемом «животном электричестве». Свою теорию Гальвани подтверждал ссылкой на известные случаи разрядов, которые способны производить некоторые живые существа, например «электрические рыбы».
ВОЛЬТОВ СТОЛБ
Итальянский физик Алессандро Вольта подробно ознакомился с трактатом Гальвани «Об электрических силах в мускуле» и был потрясен. Он перечитал трактат и нашел в нем то, что ускользнуло от внимания самого автора,— упоминание о том, что эффект содрогания лапок наблюдался лишь тогда, когда лапок касались двумя различными металлами. Вольта решил поставить видоизмененный опыт, но не на лягушке, а на самом себе.
«Признаюсь,— писал он,— я с неверием и очень малой надеждой на успех приступил к первым опытам: такими невероятными казались они мне, такими далекими от всего, что нам доселе известно было об электричестве...»
Вольта брал две монеты, обязательно из разных метал- ] лов, и… клал их себе в рот — одну на язык, другую под язык.; Когда он соединял монеты про- | волокой, то чувствовал солоноватый вкус. Из опытов, проведенных раньше, Вольта знал, что такой вкус вызывается электричеством.
Поставив друг на друга свыше ста металлических (цинк и серебро) кружков, разделенных бумагой, смоченной соленой водой, Вольта получил довольно мощный источник электричества — Вольтов столб. Присоединив к верхнему и нижнему концам столба проводники и взяв их в рот, Вольта убедился, что источник действует продолжительное время.
Вслед за этим Вольта изобрел электрическую батарею, состоявшую из многих последовательно соединенных цинковых и медных пластин, опущенных попарно в сосуды с разбавленной кислотой. Этот источник электрической энергии по тем временам был достаточно мощным: с его помощью можно было привести в действие электрический звонок. Он получил название «короны сосудов».
20 марта 1800 г. Вольта сообщил о своих исследованиях Лондонскому королевскому обществу (так называлась Английская академия наук). Можно считать, что с этого дня источники постоянного электрического тока — Вольтов столб и батарея -стали известны многим физикам и нашли широкое применение.
Гальванический элемент. Любителям научных курьезов можно сообщить рецепт изготовления гальванического элемента из лимона, описанный еще в 1909 г. в журнале «Природа и люди» (№ 28). Острым ножом разрежьте лимон, стараясь не снимать и не разрывать тонких перегородок, которые делят лимон на гнезда. Затем в каждое гнездо воткните попеременно по кусочку (длиной 2 см) медной и цинковой проволоки и соедините их концы последовательно тонкой проволокой. У вас получится маленькая гальваническая батарея, дающая ток, хотя и очень слабый, но оказывающий некоторое физиологическое действие.
Простейший гальванический элемент можно устроить и так. Налейте в стакан крепкий раствор уксуса, нашатыря или поваренной соли и опустите в него медную и цинковую пластинки, причем они не должны касаться друг друга. Можно использовать медную монету и цинковую пластинку, вырезанную из корпуса старой батарейки. Между этими электродами надо положить кусок промокательной бумаги, смоченной раствором поваренной соли.
Проверить наличие тока можно при помощи чувствительного электроизмерительного прибора — гальванометра.
Один провод, идущий от гальванометра, подключите к цинковой пластинке, а вторым несколько раз притроньтесь к медной пластинке или монете — стрелка отклонится, что свидетельствует о наличии тока.
Модель гальванометра можно изготовить, используя электрический конструктор.
Возьмите подставку для магнитной стрелки. В прорези подставки установите бескаркасную катушку. На острие подставки укрепите шкалу гальванометра (шкалу вырежьте из листа бумаги и наклейте на картон) и установите магнитную стрелку. Бескаркасную катушку вместе с подставкой расположите так, чтобы под действием магнитного поля Земли стрелка находилась в плоскости витков катушки.
При пропускании по обмотке катушки электрического тока стрелка в зависимости от направления тока будет отклоняться' вправо или влево.
ИЗ ИСТОРИИ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЛАМПЫ
Мы видим ее всюду — у себя дома и в поезде, на улице и в трамвае, на заводе и в театре, в шахте и в самолете. Трудно перечислить все случаи применения этой лампы. Электрическое освещение стало для нас обычным. Однако было время — чуть более ста лет назад,— когда об электрическом свете, о «свете без огня», мечтали лишь ученые. Много труда затратили они, чтобы создать такую электрическую лампу, какой мы ее знаем теперь.
Большой вклад в дело создания «нового света» внесли наши соотечественники — русские электротехники прошлого века В. В. Петров, В. Н. Чиколев, П. Н. Яблочков, А. Н. Лодыгин и др.
Рассказ первый
Дуга Петрова
В начале XIX в. русский физик и электротехник Василий Владимирович Петров сделал открытие, которое позволило использовать электрическую энергию для освещения.
В книге, вышедшей в 1803 г., В. В. Петров так описал свое замечательное открытие:
«Если на стеклянную плитку или на скамеечку со стеклянными ножками будут положены два или три древесных угля и если потом металлическими изолированными направителями, сообщенными с обоими полюсами огромной батареи, приближать оные (т. е. угли) один к другому на расстояние от одной до трех линий (т. е. примерно от двух до шести миллиметров), то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее загораются и от которого темный покой довольно ясно освещен быть может».
Пламя имело форму дуги (. Поэтому явление получило название электрической дуги (дуги Петрова).
Ученый отмечает, что жар электрической дуги очень силен. В пламени дуги «сгорают» даже железные гвозди и медные пластинки. Это и не удивительно: теперь мы знаем, что температура в пламени дуги Петрова достигает 3500 °С.
Что же является причиной возникновения электрической дуги?
Вы знаете, что различные вещества по-разному проводят электрический ток, т. е. обладают различным сопротивлением.
Чтобы зажечь электрическую дугу, угольные стержни сближают. В момент их соприкосновения в цепи начинает течь электрический ток. Причем в месте контакта углей ток встречает сопротивление значительно большее, чем в самих углях. Поэтому концы углей в месте контакта сильно разогреваются и начинают испускать свет. От разогретых до белого каления концов нагревается и окружающий их воздух. Кроме того, такие угли начинают выделять раскаленные газы. Теперь, если слегка раздвинуть угли, электрический ток, идущий через них, не прекратится: раскаленные газы между углями начинают проводить ток. Так между раздвинутыми углями возникает непрерывный ток — светящаяся электрическая дуга.
Изобретением В. В. Петрова заинтересовались очень многие. В самом деле, ведь им был открыт совершенно новый источник света! Электрическая дуга давала невиданно яркий, белый свет. Как заманчиво было использовать ее для освещения!
Однако осуществить эту мысль на практике оказалось не так легко. Дело в том, что для получения электрической дуги требуется большая сила тока, а существовавшие в то время источники электрического тока — батареи гальванических элементов -давали, как правило, слабый ток.
Было и другое затруднение. При горении дуги угольные стержни постепенно сгорают, и расстояние между ними увеличивается. Наконец наступает момент, когда дуга внезапно гаснет: электрический ток между углями прерывается. Таким образом, чтобы получить постоянное горение дуги, необходимо поддерживать одно и то же расстояние между углями, сдвигать их по мере сгорания.
Как это делать?
Сдвигать угли просто руками неудобно и невыгодно: для этого у каждой лампы должен постоянно находиться человек. Нужно придумать какие-то механизмы, которые автоматически поддерживали бы необходимое расстояние между углями. Изобретатели предлагали различные регуляторы «дуговых электрических фонарей» (так были названы новые лампы, в которых свет давала электрическая дуга). Однако все эти регуляторы были неудобны для практического применения, и дуговые электрические лампы мало где использовались. Только в отдельных случаях -на маяках, на каких-либо празднествах или в физической лаборатории ученого — можно было увидеть лампу нового света.
Лишь через 70 лет известный русский электротехник В. Н. Чи-колев построил удобное и четко действующее приспособление для автоматической регулировки угольных стержней дуговых ламп. Однако дуговые лампы и после этого не получили широкого распространения: лампа с механическим регулятором стоила очень дорого.
Рассказ второй
Русский свет
В 1876 г. в Лондоне на выставке точных физических приборов русский изобретатель Павел Николаевич Яблочков демонстрировал перед посетителями необыкновенную электрическую свечу. Похожая по форме на обычную стеариновую свечу, она горела ослепительно ярким светом. В том же году «свечи Яблочкова» появились на улицах ПарижаПомещенные в белые матовые шары, они давали яркий приятный свет. В короткое время чудесная свеча завоевала всеобщее признание. «Свечами Яблочкова» освещались лучшие гостиницы, улицы и парки крупнейших городов Европы.
Привыкшие к тусклому свету свечей и керосиновых ламп, люди прошлого века восхищались «свечами Яблочкова». Новый свет называли «русским светом», «северным светом». Газеты западноевропейских стран писали: «Свет приходит к нам с севера — из России», «Россия — родина света».
Что же представляет собой «свеча Яблочкова»? По существу, это та же дуговая лампа, но у нее нет никаких регуляторов. «Мое изобретение,— писал Яблочков,— состоит в совершенном удалении всякого механизма, обыкновенно встречающегося в электрических лампах...»
Задачу регулировки углей при горении лампы Яблочков решил гениально просто. Он поместил угли не против друг друга, а рядом, на таком расстоянии, чтобы между ними при пропускании тока возникала дуга. Чтобы дуга горела только вверху, у концов угольные стержни были разделены слоем, не проводящим электричество, например слоем глины или гипса.
Такое устройство дуговой лампы действительно напоминает собой обыкновенную свечу. Для запала «свечи» применялась тонкая пластинка из материала, плохо проводящего электрический ток. Эта пластинка соединяла друг с другом верхние концы углей. При пропускании электрического тока через «свечу» пластинка сгорала и между концами углей возникала дуга. По мере сгорания углей изолирующий слой между ними постепенно испарялся. Угли же за время горения находились на одном и том же расстоянии друг от друга. Их не нужно было сдвигать ни вручную, ни с помощью каких-либо сложных приспособлений!
«Электрическая свеча Яблочкова», простая и дешевая, горела ярким ровным светом.
Знаменитый изобретатель неустанно работал над усовершенствованием своих «свечей». Изменяя химический состав изолирующей массы, Яблочков создавал лампы со светом различных оттенков. Он соединял несколько «свечей» так, что, когда гасла одна, автоматически загоралась другая. Он конструировал самые различные по силе света лампы.
Но это было не все. Совершенствуя свое изобретение, П. Н. Яблочков старался избавиться от одного существенного недостатка. Дело в том, что при работе на постоянном токе один уголь «свечи» сгорает вдвое быстрее, чем другой. Чтобы избежать неравномерного сгорания углей, Яблочков один из стержней делает более толстым. Однако это не так удобно и невыгодно. Изобретатель упорно ищет другое решение задачи. И находит его. Он использует для питания «свечей» не постоянный, а переменный ток. В этом случае оба угля сгорают равномерно. Таким образом, П. Н. Яблочков — первый человек, практически применив-1 ший переменный ток в электротехнике! До его работ считалось, | что переменный ток не годится для широкого практического 1 применения.
Кроме того, он решил задачу так называемого «дробления электрического света». Яблочков разработал такую схему соеди-1 нения дуговых ламп в цепь, при которой один источник тока мог обслужить уже не одну, а большее число ламп. Это достигалось с помощью особых индукционных катушек, работающих по принципу трансформатора (устройства, понижающего и повышаю- I щего напряжение электрического тока).
Таким образом, П. Н. Яблочковым впервые был применен в электротехнике и принцип трансформации электрической энергии.
К 1880 г. «русский свет» освещал многие города мира.
В России «электрические свечи» освещали улицы Москвы, Петербурга, Нижнего Новгорода, Полтавы и других городов. >
Рассказ третий
Угольная лампа накаливания
В начале 70-х гг. XIX в. Александр Николаевич Лодыгин создал новые электрические лампы — лампы накаливания, те самые, которые уже к началу нашего века завоевали весь мир. Так, у «свечей Яблочкова», кроме старых соперников — газовых рожков,— появился новый.
«Свечи Яблочкова» не выдержали соперничества и очень скоро начали повсеместно гаснуть. И хотя в наши дни «электрическая свеча Яблочкова» является уже достоянием истории, мы не должны забывать, что именно работы русского изобретателя П. Н. Яблочкова дали электрическому свету путевку в жизнь. «Электрической свече» мы, бесспорно, обязаны тем, что удалось ввести электрический свет в повседневный обиход.
Уже давно, с самого начала XIX в., было известно, что электрический ток, проходя по проводнику, нагревает его.
Если сила тока большая, то проводник нагреется до температуры белого каления и даже может расплавиться. Это действие электрического тока и было использовано изобретателями новых электрических ламп — ламп накаливания.
Однако изготовить электрические лампы накаливания, которые давали бы достаточно яркий свет и в то же время работали продолжительное время, оказалось делом нелегким. Основная причина этого заключалась в том, что тонкие металлические проволочки, как правило, очень быстро плавились, как только их разогревали до необходимой температуры. Кроме того, раскаленные металлические нити окислялись в воздухе ив силу этого быстро «перегорали».
Работая над конструированием ламп, электротехники пробовали изготовить нити накала из платины. Платина плавится только при температуре около 1750 °С и не окисляется, но этот материал был очень дорогим; в то же время при сильном нагревании платиновые нити все равно размягчались.
Многочисленные попытки сделать практически пригодную лампу накаливания долгое время оканчивались неудачей. И лишь в 1872—1873 гг. замечательный русский электротехник А. Н. Лодыгин создает первую удачную конструкцию новой электрической лампы.
Первая лампа накаливания Лодыгина была устроена так: в небольшой стеклянный шар впаяны две медные проволочки, соединенные с источником тока. Между ними закреплен тонкий угольный стержень. Как только через медные проволочки и угольный стержень пропускали электрический ток, стержень благодаря большому сопротивлению раскалялся и светился ярким светом. Чтобы он не сгорал быстро, из стеклянного шара откачивали воздух. Такие лампы горели недолго — 20—30 мин.
Однако уже в следующие два года А. Н. Лодыгин создает новые, улучшенные образцы электрических ламп накаливания, которые были способны гореть несколько часов.
Достоинства лампы накаливания по сравнению с дуговыми были очевидны. Лампы накаливания давали мягкий и яркий свет, потребляли мало электрической энергии, были просты и совершенно безопасны в использовании, сравнительно недороги и поэтому удобны для освещения жилых помещений.
В 1873 г. Лодыгин демонстрировал свои лампы в Петербурге. Лампами нового света была освещена одна из улиц русской столицы.
«Масса народа любовалась этим освещением, этим огнем с неба,— писал один из современников Лодыгина о его лампах.— Лодыгин первый вынес лампу накаливания из физического кабинета на улицу».
В этом же году в Технологическом институте Лодыгин показал, что его лампы могут применяться в самых различных условиях: и в сигнальных железнодорожных фонарях, и в электрических фонарях для подводных работ, и в фонарях для каменноугольных шахт и т.п. Через три года Электрический фонарь Лодыгина для подводных работ был применен при строительстве подводных частей моста через Неву. Каждый такой фонарь можно было очень легко зажечь и погасить отдельно от других.
Русская Академия наук в 1874 г. присудила Лодыгину за лампу накаливания Ломоносовскую премию. В решении по этому вопросу указывалось, что А. Н. Лодыгин сделал открытие, «обещающее произвести переворот в каждом вопросе об освещении».
Изобретение Лодыгина действительно произвело переворот. Именно благодаря его работам в каждом уголке мира засияла электрическая лампа.
В 1890 г. А. Н. Лодыгин предложил изготовлять лампы накаливания с металлическими нитями из тугоплавких металлов — вольфрама, молибдена, осмия, иридия, палладия. В 1900 г. лампы Лодыгина с металлической нитью накаливания демонстрировались на Всемирной выставке.
Практическое применение лампы с вольфрамовой нитью получили после 1910 г., когда был найден способ изготовления тянутых нитей из вольфрама.
Первые лампы с вольфрамовой нитью довольно быстро перегорали. Начались поиски причин быстрой «смерти» ламп. Оказалось, что на вольфрамовый волосок вредно влияет воздух, который все же оставался в лампе после его откачивания. Тогда при изготовлении электрических ламп с вольфрамовой нитью стали особенно тщательно следить за тем, чтобы воздух был по возможности полностью удален из баллона лампы.
Но появилась новая беда: вольфрамовая нить при высокой температуре довольно сильно испарялась и в результате этого очень быстро разрушалась. Тогда для уменьшения испарения металла баллон лампы решили наполнить газом, не действующим на раскаленную нить, таким, как аргон и азот. Распыление нити стало меньше. Уменьшение разрушения вольфрамовой нити позволило поднять температуру ее накала выше, чем в пустотных лампах. Отсюда большая яркость и экономичность газонаполненных ламп.
В таком виде и существует в наши дни электрическая лампа накаливания.
Последнее время учеными ведутся работы по изготовлению нитей накала из сверхтугоплавких веществ. К таким веществам относятся, например, химические соединения карбид-тантал и карбид-цирконий. Нить накала, изготовленная из этих веществ, способна выдерживать температуру свыше 4000 °С.
Не забыта в наше время и дуговая лампа. Ученые много сделали для совершенствования электрических дуговых ламп. Вытесненные с улиц, эти мощные лампы успешно применяются в прожекторах, на маяках, в кинопроекционных аппаратах.
Рассказ четвертый
Семидесятые годы прошлого столетия — это время перехода электрической лампы из лаборатории ученых в дома, на производство. Большую роль в этом сыграли работы Т. Эдисона.
Во-первых, он усовершенствовал лампу Лодыгина, увеличив разрежение в баллоне и применив в качестве нитей накаливания обугленные бамбуковые волокна. Эдисон придумал также патрон к лампе и выключатель — приспособления, которыми мы пользуемся до сих пор. Но сама лампа изменилась: теперь в ней накаливается не бамбуковое волокно, а вольфрамовая нить. Это усовершенствование внес в эдисонову лампу Лодыгин. Так дважды скрещивались творческие замыслы двух изобретателей.
Во-вторых, Эдисон построил генератор электрической энергии (динамо-машину), способный питать электрическим током несколько десятков ламп так, что они могли гореть независимо друг от друга (решил задачу дробления электроэнергии).
В-третьих, изобрел счетчик электроэнергии, который позволял определять израсходованную электроэнергию. В работе счетчика Эдисон использовал химическое действие тока. Вы знаете, что при прохождении тока через раствор электролита (например, раствор медного купороса) на катоде выделяется вещество (в данном случае Медь). Чем больше зарядов проходит через раствор электролита, тем больше вещества выделяется на катоде.
Счетчик состоял из сосуда с раствором медного купороса, в который были опущены две пластины. Когда счетчик включали в сеть, одна пластина заряжалась положительно (анод), другая — отрицательно (катод). В конце какого-нибудь промежутка времени, например каждого месяца, определяли массу меди, выделившейся на катоде, и по законам электролиза рассчитывали израсходованную электроэнергию.
В настоящее время используют счетчики, действие которых основано на явлении движения проводника в магнитном поле.
В-четвертых, Эдисоном были изобретены плавкие предохранители и многое другое, что позволило широко использовать электрическое освещение.
Именно поэтому Эдисона называют отцом современного электрического освещения.
Рассказ пятый
Современная электрическая лампа накаливания
Но кроме электрических ламп, используемых для освещения, существуют и другие типы ламп. ламп снабжен штыковым затвором. Их вставляют в специальный патрон с пружиной и вырезами для штифтов и поворачивают.
Кроме этих ламп, наша промышленность выпускает и другие. Такие, как лампы-гиганты, применяемые для морских маяков. Некоторые из них имеют высоту более метра, массу свыше 7 кг, а мощность 50 000 Вт. Существуют и лампы-малютки массой 0,02 г и мощностью 0,4 Вт. Такие лампы используют в медицине.
Современная лампа накаливания — очень удобный, безопасный и дешевый источник света. Но в ней лишь 7% энергии превращается в энергию видимого света. Будущее принадлежит совсем иным лампам — лампам дневного света (об их устройстве и работе вы узнаете в старших классах), которые более экономичны и дают свет, более похожий на дневной.
Интересно знать
В древних архивах сохранились записи, свидетельствующие о том, что императора Нерона, страдавшего ревматизмом, придворные врачи лечили электрованнами. Для этого в деревянную кадку с водой помещали рыб, способных испускать электрические разряды. Находясь в такой ванне, император в течение предписанного врачами времени подвергался действию электрических разрядов и полей. Лечение проходило успешно.
Впервые вне лаборатории и классной комнаты электрическая дуга была применена в 1845 г. в Парижской опере, чтобы воспроизвести эффект восходящего солнца. Успех был полный!
В прошлом веке в Швейцарии была изобретена «электрическая нянька». Изобретатель предложил в детской кроватке под простыню подкладывать две тонкие металлические сетки, изолированные друг от друга сухой прокладкой и соединенные с низковольтным источником тока и звонком. Как только прокладка намокала, электрическая цепь замыкалась и начинал звенеть звонок, извещая мать о том, что нужно сменить пеленки.
В Таиланде при строительстве линий электропередач перед электриками неожиданно возникли две проблемы. Первая — как предохранить линии высокого напряжения от обезьян, которые, подражая монтерам, легко влезают на опорные столбы и, играя проводами, производят короткие замыкания. Вторая — как обезопасить линии от слонов, выворачивающих опоры.
Юным техникам, вероятно, хорошо знакомы лампочки для карманных фонарей. Они меньше осветительных по размерам и рассчитаны на напряжение 3,5 В. Лампы, применяемые в устройствах, подвергающихся тряске (в автомобилях, киноаппаратах), не имеют винтовой нарезки на цоколях. Цоколь этих ламп снабжен штыковым затвором. Их вставляют в специальный патрон с пружиной и вырезами для штифтов и поворачивают (.
Кроме этих ламп, наша промышленность выпускает и другие. Такие, как лампы-гиганты, применяемые для морских маяков. Некоторые из них имеют высоту более метра, массу свыше 7 кг, а мощность 50 000 Вт. Существуют и лампы-малютки массой 0,02 г и мощностью 0,4 Вт. Такие лампы используют в медицине.
Современная лампа накаливания — очень удобный, безопасный и дешевый источник света. Но в ней лишь 7% энергии превращается в энергию видимого света. Будущее принадлежит совсем иным лампам — лампам дневного света (об их устройстве и работе вы узнаете в старших классах), которые более экономичны и дают свет, более похожий на дневной.
Интересно знать
В древних архивах сохранились записи, свидетельствующие о том, что императора Нерона, страдавшего ревматизмом, придворные врачи лечили электрованнами. Для этого в деревянную кадку с водой помещали рыб, способных испускать электрические разряды. Находясь в такой ванне, император в течение предписанного врачами времени подвергался действию электрических разрядов и полей. Лечение проходило успешно.
Впервые вне лаборатории и классной комнаты электрическая дуга была применена в 1845 г. в Парижской опере, чтобы воспроизвести эффект восходящего солнца. Успех был полный!
В прошлом веке в Швейцарии была изобретена «электрическая нянька». Изобретатель предложил в детской кроватке под простыню подкладывать две тонкие металлические сетки, изолированные друг от друга сухой прокладкой и соединенные с низковольтным источником тока и звонком. Как только прокладка намокала, электрическая цепь замыкалась и начинал звенеть звонок, извещая мать о том, что нужно сменить пеленки.
В Таиланде при строительстве линий электропередач перед электриками неожиданно возникли две проблемы. Первая — как предохранить линии высокого напряжения от обезьян, которые, подражая монтерам, легко влезают на опорные столбы и, играя проводами, производят короткие замыкания. Вторая — как обезопасить линии от слонов, выворачивающих опоры.
«Багдадская батарея». Возьмите обычный лимон, воткните в него оцинкованный гвоздь (это будет «минус») и медную монету («плюс»). Такая «батарейка» способна выдать примерно 1 вольт. Четырех лимонов достаточно, чтобы зажечь маленький светодиод.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящее время электрическая энергия имеет огромное применение во всех сферах человеческой деятельности Электроэнергия, вырабатываемое огромными атомными; гидро; тепло; газотурбинными и другими электростанциями транспортируется по линиям электропередач (ЛЭП) к городам; поселкам промышленным районам и объектам освещает улицы и дома, обогревает, крутит электрические машины, при помощи которых мощные электровозы перевозят составы с всевозможными грузами, вращает гребные валы огромных ледоколов и военных подводных лодок, при помощи электроэнергии работают всевозможные краны и конвейеры, троллейбусы и трамваи перевозят пассажиров используя для движения также электроэнергию, всевозможные электроприборы которые используют в медицине и в быту которые являются первейшими помощниками, электроэнергия обеспечивает работу практически всех приборов связи включая и космическую, телевидение и радио, звучание музыки.
Другими словами – человечество и не мыслит своё существование на нашей планете без электрической энергии.
Список использованной литературы
БСЭ, том 30, стр. 48-49, столбцы 130-133
Книга для чтения по физике: Учебное пособие для учащихся 6-7 классов средней школы
Составитель И Г. Кириллова стр.148 171
Журнал «Мир Фантастики» № 9 сентябрь 2006г стр. 131
www.ronl.ru
Министерство образования и высшей школы Республики Коми
Управление образования администрации МО «Городской округ Усинск»
Муниципальная средняя общеобразовательная школа 5
Реферат
по физике
на тему: «Электрические явления»
2008 г.
Оглавление
Введение
Основная часть
Заключение
Список использованной литератуы
Введение
Электричество – совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием электрически зараженных тел или частиц, Взаимодействие электрических зарядов осуществляется с помощью электромагнитного поля ( в случае неподвижных электрических зарядов – электростатические поля). Движущиеся заряды (электрический ток) наряду с электрическим возбуждают и магнитное поле, т.е. порождают электромагнитное поле, посредством которого осуществляется электромагнитное взаимодействие(учение о магнетизме, т.о., является составной частью общего учения об электричестве). Электромагнитные явления описываются классической электродинамикой, в основе которой лежат уравнения Максвелла.
Законы классической теории электричества охватывают огромную совокупность электромагнитных процессов. Среди 4 типов взаимодействий ( электромагнитных, гравитационных, сильных и слабых), существовавших в природе, электромагнитные занимают первое место по широте и разнообразию проявлений. Это связано с тем, что все тела построены из электрически заряженных частиц противоположенных знаков, взаимодействие между которыми, с одной стороны, на много порядков интенсивнее гравитационных и слабых, а с другой – являются дальнодействующими в отличии от сильных взаимодействий, Строение атомных оболочек, сцепление атомов в молекулы (хим. Силы) и образование конденсированного вещества определяются электромагнитным взаимодействием.
Цель Реферата в том, чтобы показать, что человечество не мыслит своё существование на Земле без электричества.
Историческая справка. Простейшие электрические и магнитные явления известны ещё с глубокой древности. Были найдены минералы, притягивающие кусочки железа, а также обнаружено, что янтарь( от греческого электрон, отсюда термин электричества), потертый о шерсть, притягивает легкие предметы (электризация трением). Однако лишь в 1600 У. Гильберт впервые установил различия между электрическими и магнитными явлениями, Он открыл существование магнитных полюсов и неотделимость их друг от друга, а также установил, что земной шар – гигантский магнит.
В 17 – 1-й пол. 18 вв. проводились многочисленные опыты с наэлектризованными телами, были построены первые электростатические машины, основанные на электризации тернием, установлено существование электрических зарядов двух родов (Ш. Дюфе), обнаружена электропроводность металлов (англ. Ученый С. Грей). С изобретением первого конденсатора – лейденские банки (1745) – появилась возможность накапливать большие электрические заряды. В 1747-53 Б. Франклин изложил первую последовательную теорию электрических явлений, окончательно установил электрическую природу молнии и изобрел молниеотвод.
Во 2-й пол. 18 в. Началось количественное изучение электрических и магнитных явлений, Появились первые измерительные приборы – электроскопы различных конструкций, электрометры. Г. Кавендиш (1773) и Ш. Кулон (1785) экспериментально установили закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов ( работы Кавендиша были опубликованы лишь в 1879). Этот основой закон электростатики (Кулона закон) впервые позволил создать метод измерение электрических зарядов по силам взаимодействия между ними, Кулон установил также закон взаимодействия между полюсами длинных магнитов и ввёл понятие о магнитных зарядах, сосредоточенных на концах магнитов.
Следующий этап в развитии науки об электричестве связан с открытием в кон. 18 в. Л. Гальвани «животного электричества» и работами А. Вольты, который правильно истолковал опыты Гальвани присутствием в замкнутой цепи 2 разнородных металлов в жидкости и изобрел первый источник электрического тока – гальванический элемент(вольтов столб 1800), создающий непрерывный(постоянный) ток в течение длительного времени, В 1802 В.В. Петров, построив гальванический элемент значительно большей мощности, открыл электрическую дугу, исследовал её свойства и указал на возможность применения её для освещения, а также для плавления и сварки металлов. Г. Дэви электролизом водных растворов щелочей получил (1807) неизвестные ранее металлы – натрий и калий. Дж. П. Джоуль установил (1841), что количество теплоты, выделяемой в проводнике электрическим током, пропорциональна квадрату силы тока; этот закон был обоснован (1842) точными экспериментами Э. Х. Ленца (закон Джоуля – Ленца). Г.Ом установил (1826) количество зависимости электрического тока от напряжения в цепи. К. Ф. Гаусс сформулировал (1830) основную теорему электростатики (теорема Гаусса).
Наиболее фундаментальное открытие было сделано Х. Эрстедом в 1820; он обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку – явление, свидетельствовавшее о связи между электричеством и магнетизмом. Вслед за этим в том же году А. М. Ампер установил закон взаимодействия электрических токов(закон Ампера) Он показал также, что свойства постоянных магнитов могут быть объяснены на основе предположения о том, что в молекулах намагниченных тел циркулируют постоянные электрические токи(молекулярные токи). Т. О., согласно Амперу, все магнитные явления сводятся к взаимодействиям токов, магнитных же зарядов не существует. Со времени открытий Эрстеда и Ампера учение о магнетизме сделалось составной частью учений об электричестве
Со 2-й четв. 19 в. Началось быстрое проникновение электричества в технику. В 20-х гг. появились первые электромагниты. Одним из первых применений электричества был телеграфный аппарат, в 30 — 40-х гг. построены электродвигатели и генераторы тока, а в 40-х гг. – электрические осветительные устройства и т. д. Практическое применения электричества в дальнейшем всё более возрастало, что в свою очередь оказало существенное влияние на учение об электричестве.
В 30 – 40-х гг. 19 в. В развитие науки об электричестве внёс большой вклад М.
Фарадей- творец общего учения об электромагнитных явлениях, в в котором все электрические и магнитные явления рассматриваются с единой точки зрения. С помощью опытов он доказал, что действие электрических зарядов и токов не зависят от способа их получения [до Фарадея»обыкновенное» (полученное при электризации трением), атмосферное, «гальваническое», магнитное, термоэлектрическое, «животное» и др. виды электричества]. В 1831 Фарадей открыл индукцию электромагнитную – возбуждения электрического тока в контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Это явление (наблюдавшееся в 1832 также Дж. Генри) составляет фундамент электротехники. В 1833-34 Фарадей установил законы электролиза; эти его работы положили начало электрохимии. В дальнейшем он, пытаясь найти взаимосвязь электрических и магнитных явлений с оптическими, открыл поляризацию диэлектриков (1837), явления парамагнетизма и диамагнетизма (1845), магнитное вращение плоскости поляризации света (1845) и др.
Фарадей впервые ввёл представление об электрических и магнитных полях. Он отрицал концепцию дальнодействия, сторонники которой считали, что тела непосредственно (через пустоту) на расстояние действуют друг на друга. Согласно идеям Фарадея, взаимодействия между зарядами и токами осуществляется посредством промежуточных агентов: заряды и токи создают в окружающем пространстве электрические или магнитные поля, с помощью которых взаимодействие передается от точки к точке (концепция близкодействия). В основе его представлений об электрических и магнитных полях лежало понятие силовых линий, которые он рассматривал, как механические образования в гипотетической среде – эфире, подобные растянутым упругим нитям или шнурам.
Идеи Фарадея о реальности электромагнитного поля не сразу получили признание, Первая математическая формулировка законов электромагнитной индукции была дана Ф Нейманом в 1845 на языке концепции дальнодействия. Им же были введены важные понятия коэффициентов само- и взаимодукции токов. Значение этих понятий полностью раскрылось позднее, когда У. Томсон ( лорд Кельвин) развил (1853) теории электрических колебаний в контуре, состоящем из конденсатора (электроёмкость) и катушки (индуктивность.
Большое значения для развития учения об электричестве имело создание новых приборов и методов электрических измерений, а также единая система электрических и магнитных единиц измерений,, созданная Гауссом и В. Вебером (система единиц гаусса). В 1846 Вебер указал на связь силы тока с плотностью электрических зарядов в проводнике и скоростью их упорядочного перемещения. Он установил также закон взаимодействия движущихся точечных зарядов, который содержал новую универсальную электродинамическую постоянную, представляющею собой отношение электростатических и электромагнитных единиц заряда и имеющею размерность скорости. При экспериментальном определении ( Вебер и Ф. Кольрауш, 1856) этой постоянной было получено значение, близкое к скорости света; это явилось определенным указанием на связь электромагнитных явлений с оптическими.
В 1861 – 73 учение об электричестве получило своё развитие и завершение в работах Дж. К. Максвелла. Опираясь на эмпирические законы электромагнитных явлений, и введя гипотезу о порождение магнитного поля переменным электрическим полем, Максвелл сформулировал фундаментальные уравнения классической электродинамики, названные его именем. При этом он, подобно Фарадею, рассматривал электромагнитные явления как некоторую форму механических процессов в эфире. Главное новое следствие, вытекающее из этих уравнений,- существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Уравнения Максвелла легли в основу электромагнитной теории света. Решающее подтверждение теория Максвелла нашла в 1886-89, когда Г. Герц экспериментально установил существование электромагнитных волн. После его открытия были предприняты попытки установить связь с помощью электромагнитных волн, завершившиеся созданием радио, и начались интенсивные исследования в области радиотехники.
В конце 19- начале 20 вв. начался новый этап в развитии теории электричества. Исследования электрических разрядов увенчались открытием Дж. Дж. Томсоном дискретности электрических зарядов. В 1897 он измерил отношение заряда электрона к его массе, а в 1898 определил абсолютную величину заряда электрона. Х. Лоренц, опираясь на открытия Томсона и выводы молекулярнокинетической теории, заложил основы электронной теории строения вещества ( уравнения Лоренца –Максвелла). В классической электронной теории вещество рассматривается как совокупность электрических заряженных частиц, движение которых подчинено законом классической механике. Уравнение Максвелла получаются из уравнений электронной теории статическим усреднением.
Попытки применение законов классической электродинамики к исследованию электромагнитных процессов в движущихся средах натолкнулись на существенные трудности. Стремясь разрешить их, А. Эйнштейн пришел (1905) к теории относительности. Эта теория окончательно опровергла идею существования эфира, наделённого механическими свойствами. После создания теории относительности стало очевидно, что законы электродинамики не могут быть сведены к законам классической механики.
На малых пространственно-временных интервалах становятся существенными квантовые свойства электромагнитного поля, не учитываемые классической теорией электричества. Квантовая теория электромагнитных процессов – квантовая электродинамика – была создана во 2-й четв. 20 века. Квантовая теория вещества и поля уже выходит за пределы учения об электричестве, изучает более фундаментальные проблемы, касающиеся законов движения элементарных частиц и их строения.
С открытием новых фактов и создание новых теорий значение классического учения об электричестве не уменьшилось, были определены лишь границы применимости классической электродинамики. В этих пределах уравнения Максвелла и классическая электронная теория сохраняют силу, являясь фундаментом современной теории электричества. Классическая электродинамика составляет основу большинства разделов электротехники, радиотехники, электроники и оптики (исключение составляет квантовая электроника). С помощью её уравнений было решено огромное число задач теоретического и прикладного характера. В частности, многочисленные проблемы поведения плазмы в лабораторных условиях и в космосе решаются с помощью уравнений Максвелла.
ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ТЕЛ. СТРОЕНИЕ АТОМА ЛЕГЕНДА ОБ ОТКРЫТИИ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ
Древние греки очень любили украшения и мелкие поделки из янтаря, названного ими за его цвет и блеск «электрон» - что значит «солнечный камень». Отсюда произошло, правда много позже, и самое слово электричество.
Способность янтаря электризоваться была известна давно. Впервые исследованием этого явления занялся знаменитый философ древности Фалес Милетский. Вот как об этом рассказывает легенда.
Дочь Фалеса пряла шерсть янтарным веретеном, изделием финикийских мастеров. Как-то, уронив веретено в воду, девушка стала обтирать его краем своего шерстяного хитона и заметила, что к веретену пристало несколько шерстинок. Думая, что они прилипли к веретену, потому что оно все еще влажно, она принялась вытирать его еще сильнее. И что же? Шерстинок налипало тем больше, чем сильнее натиралось веретено. Девушка обратилась за разъяснением этого явления к отцу. Фалес понял, что причина в веществе, из которого сделано веретено, и в первый же раз, как к пристани Милета подошел корабль финикийских купцов, он накупил различных янтарных изделий и убедился, что все они, будучи натерты шерстяной материей, притягивают легкие предметы, подобно тому, как магнит притягивает железо.
Получение и обнаружение электрических зарядов. Вы можете повторить опыт дочери Фалеса Милетского. Янтарные изделия для этого иметь не обязательно — воспользуйтесь любым стеклянным или пластмассовым предметом.
Потрите, например, пластмассовую расческу о газету. Поднесите ее к соринкам, шерстинкам, маленьким кусочкам бумаги. Какое явление вы наблюдаете? Как оно называется? Отличается ли эта расческа чем-нибудь от той, которую не натирали?
Наличие электрического заряда на расческе можно проверить с помощью следующих самодельных приборов:
1. Соберите из двух деревянных палочек, дощечки и пластилина штатив, подобный тому, который показан на рисунке 81. Чувствительной частью прибора, обнаруживающего наличие электрического заряда, может служить легкая бумажная бабочка, которую надо подвесить на шелковой нити к штативу.
Натрите стеклянный или пластмассовый предмет газетой или шелковой материей. Поднесите его к бабочке. Пронаблюдайте, как бабочка притянется к наэлектризованному предмету.
Вырежьте из картона фигурку «человечка» и приколите кнопкой к ее плечу подвижную, вырезанную из тонкой папиросной бумаги руку. Расширьте немного прокол, чтобы рука могла свободно вращаться. Укрепите «человечка» на подставке или на нити. Подносите к нему наэлектризованные тела. Человечек будет вытягивать руку, указывая ею на электрический заряд (рис.1).
•3. Вырежьте из фольги фигурку «человечка». Можно для этого использовать также тонкий картон, оклеенный фольгой. В этом случае удобнее вначале оклеить картон, а потом вырезать из него ножницами фигурку. Подвесьте ее на шелковой нитке, руки вставьте в прорезь, сделанную у плеча (руки изготовьте из того же материала, что и фигурку).
Прикоснувшись к «человечку» наэлектризованным телом, вы увидите, как он разведет руки в стороны (рис. 2). Дотронувшись до «человечка» пальцем, убедитесь, что он опускает руки. Объясните наблюдаемое явление.
Как называется прибор, модель которого вы сделали?
ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ТРЕНИЕМ НА ПРОИЗВОДСТВЕ И В БЫТУ
Технический прогресс не только расширяет возможности человека, его власть над природой, но одновременно ставит множество новых проблем. Так, например, сегодня в различных отраслях промышленности используются сильные электрические поля, широко внедряется в быт синтетика, а синтетические материалы обладают способностью накапливать электрические заряды. И приходится решать проблемы, связанные с влиянием электрических полей на технологические процессы, на организм человека.
Вот несколько примеров.
На одном из целлюлозно-бумажных комбинатов некоторое время не могли установить причину частых обрывов быстро движущейся бумажной ленты. Были приглашены ученые. Они выяснили, что причина заключалась в электризации ленты при трении ее о валки.
Такая «самопроизвольная» электризация весьма опасна, так как может стать причиной пожара.
При трении о воздух электризуется самолет. Поэтому после посадки к самолету нельзя сразу же приставлять металлический трап: может возникнуть разряд, который вызовет пожар. Сначала самолет «разряжают»: опускают на землю металлический трос, соединенный с обшивкой самолета, и разряд происходит между землей и концом троса.
Разряды электричества возникают и тогда, когда человек ходит по полимерным покрытиям полов современной квартиры, синтетическим коврам или снимает с себя нейлоновую одежду.
Есть ли способы и средства для борьбы с накоплением электрических зарядов? Безусловно, есть.
На производстве — это тщательное заземление станков, машин, применение токопроводящих пластиков для полов, увлажнение воздуха, использование различного рода «нейтрализаторов» (по условиям производства — индукционных, электрических, радиоизотопных, электроаэрозольных и др.).
В домашних условиях устранить заряды статического электричества довольно легко, повышая относительную влажность воздуха квартиры до 60—70% (для этого можно использовать электрические увлажнители). Электризация устраняется, если к воде, которой протирают пластиковые полы, добавить гидрофильные вещества, например хлорид кальция, а также если протирать электризующиеся поверхности глицерином. Химическая промышленность сейчас выпускает препарат «Антистатик», который снимает электрический заряд с синтетической одежды.
При соприкосновении наэлектризованного тела с заземленной поверхностью происходит электрический разряд. Влияние его на организм человека также изучается.
В результате исследований, проведенных в Ленинграде, было установлено, что разрядный ток силой до 20 мкА не вызывает заметных физиологических сдвигов в организме человека даже при длительном воздействии. Следовательно, разряды, возникающие в быту и при большинстве технологических процессов в результате соприкосновения наэлектризованного человеческого тела с заземленной поверхностью, не опасны для здоровья.
Следует отметить, что электризация синтетического белья, возникающая во время носки, оказывается даже полезной. Например, известно, что поливинилхлоридное белье помогает при лечении некоторых болезней.
Сильные электрические поля используются в медицине при создании электроаэрозолей. Они представляют собой лекарственные или другие биологические вещества, распыленные в электростатическом поле и обладающие целым рядом свойств, выгодно отличающих их от обычных аэрозолей: капельки электроаэрозоля сильнее измельчаются, меньше слипаются, при определенных условиях они глубже проникают в легкие (вплоть до мельчайших легочных ячеек — альвеол), создавая в них запасы постепенно всасывающихся лекарственных или биологически активных веществ.
ОПЫТ ИОФФЕ И МИЛЛИКЕНА
В начале XX в. советский физик Абрам Федорович Иоффе и американский ученый Роберт Милликен (независимо друг от друга) проделали опыты, доказавшие существование частиц, имеющих наименьший электрический заряд, и позволившие измерить этот заряд.
В чем заключался опыт, вам известно из учебника. Мы хотим рассказать немного о жизни и деятельности этих физиков и процитировать отрывки из их книг, где они рассказывают о своем эксперименте.
Абрам Федорович Иоффе родился в 1880 г. на Украине в г. Ромны. Окончил Петербургский технологический институт в 1902 г. и уехал в Германию продолжать образование. Он учился в Мюнхенском университете, который окончил в 1905 г. Его учителем был знаменитый В. Рентген. В 1906 г. Иоффе вернулся в Россию с дипломом доктора философских наук Мюнхенского университета и начал научно-педагогическую деятельность в Петербургском политехническом институте. В 1915 г. ему присвоили степень доктора Петербургского университета за исследование упругих и электрических свойств кварца.
После Октябрьской революции по его предложению и под его руководством во вновь созданном Государственном институте рентгенологии и рентгенографии организуется физико-технический отдел. Обстановка, в которой пришлось вести работу, была сложной: шла гражданская война; молодое Советское государство находилось в кольце врагов, которых поддерживали капиталисты всего мира; голод; разруха; старые научные кадры не все приняли революцию, часть уехала за границу; научные связи с другими странами почти полностью прерваны. И в это время А. Ф. Иоффе при содействии А. В. Луначарского создал в Петрограде научное учреждение, которое стало родоначальником большого числа научно-исследовательских институтов нашей страны.
В 1921 г. физико-технический отдел Государственного института рентгенологии и рентгенографии выделился в самостоятельный Физико-технический институт, руководителем которого стал А. Ф. Иоффе. А впоследствии из этого института выделились и стали самостоятельными научными учреждениями Украинский физико-технический институт, Уральский физико-технический институт, Институт химической физики и многие другие.
Видные ученые нашей страны И. В. Курчатов, П. Л. Капица, Н. Н. Семенов, Л. Д. Ландау, Б. П. Константинов, И. К. Кикоин и многие другие начинали свою научную работу под руководством А. Ф. Иоффе, считают себя его учениками и всегда с большой теплотой и любовью вспоминают о нем.
«Абрам Федорович Иоффе с первых дней революции встал на сторону Советской власти, он стал одним из выдающихся руководителей фронта физического образования и науки. Огромный талант ученого, педагога, организатора, а также доброжелательное отношение к людям, личное обаяние, преданность общественным интересам — все это определило неоценимый вклад А. Ф. Иоффе в развитие советской физики. Многие мои товарищи — физики, как и я сам,— считают и называют академика Иоффе отцом советской науки, и это мнение, я верю, будет общепризнанным в истории советской науки»,— писал академик Б. П. Константинов.
Научная деятельность Иоффе была широка и многообразна. Он был прекрасным экспериментатором, занимался вопросами физики полупроводников, много внимания уделял внедрению результатов научных исследований, принимал участие в разработке военной техники, в частности им был предложен принцип радиолокации для обнаружения неприятельских самолетов, интересовали его и возможности использования достижений науки в сельском хозяйстве.
Большая научная и организаторская деятельность А. Ф. Иоффе получила широкое признание в стране. Он был избран действительным членом Академии наук СССР, ему было присвоено звание Героя Социалистического Труда, звание заслуженного деятеля науки СССР, он был удостоен Государственной премии первой степени, награжден двумя орденами Ленина. Многие зарубежные академии и университеты избрали его своим почетным членом.
А. Ф. Иоффе скончался 14 октября 1960 г., не дожив две недели до своего восьмидесятилетия.
Роберт Милликен родился в 1868 г. в штате Иллинойс в семье священника. Детство его прошло в маленьком городке Маквокета. В 1893 г. он поступил в Колумбийский университет, затем учился в Германии.
В 28 лет его пригласили преподавать в Чикагский университет. Вначале он занимался почти исключительно педагогической работой и только в сорок лет начал научные исследования, принесшие ему мировую славу.
«Одним из первых в ряду блестящих экспериментаторов, основавших и обосновавших новую физику, следует назвать Роберта Милликена… Характерной чертой исследований Милликена является их совершенно исключительная точность. Милликен во многих случаях повторял опыты, придуманные и даже выполненные другими лицами, но делал их с такой тщательностью и осмотрительностью, что его результаты становились бесспорной и неизбежной базой теоретического построения. Основная заслуга Милликена — измерение величины заряда электрона е и постоянной теории квантов А»,— писал об этом ученом академик С. И. Вавилов.
За свои экспериментальные исследования Р. Милликен в 1924 г. был удостоен Нобелевской премии.
Умер Милликен в 1953 г.
Как же удалось измерить заряд отдельного электрона?
Вот что пишут о своих опытах А. Ф. Иоффе и Р. Милликен.
А. Ф. Иоффе: «… В камере А создавались мелкие пылинки цинка, которые через узкое отверстие падали в пространство между двумя заряженными пластинками. Заряженная пылинка падает вниз, испытывая, как и всякое тело, силу тяжести. Но если она заряжена, на нее действуют и электрические силы в зависимости от знака заряда по направлению снизу вверх или сверху вниз. Подобрав электрический заряд пластинок, можно было остановить каждую падающую частичку так, чтобы она неподвижно повисла в воздухе. Мне удавалось целый день держать частичку в таком состоянии. Когда же на нее падал пучок ультрафиолетового света, он уменьшал заряд. Это сразу можно было заметить по тому, что с изменением заряда электрическая сила уменьшалась, тогда как сила тяжести не изменялась: равновесие нарушалось, частичка начинала падать.
Приходилось подбирать другой заряд пластинок, чтобы снова остановить цинковую пылинку. И каждый раз мы имели возможность измерить ее заряд...
… Можно было снять 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1… до 50 зарядов, но это было всегда целое число электронов. Оказалось, что какое бы вещество мы ни взяли, будь то цинк, масло, ртуть, будет ли это действие света, или нагревание, или другое воздействие,— всякий раз, как тело теряет заряд, оно всегда теряет по целому электрону. Значит, можно было заключить, что в природе существуют только целые электроны».
Р. Милликен: «… При помощи обыкновенного распылителя в камеру С впускалась струя масла. Воздух, посредством которого вдувалась струя, освобождался сперва от пыли путем пропускания через трубку со стеклянной ватой. Капельки масла, составлявшие струю, были весьма малы; радиус большинства их был порядка 0,001 мм. Эти капельки медленно падали в камере С, иногда некоторые из них проходили сквозь маленькое отверстие р в центре круглой латунной пластинки М диаметром в 22 см, состав-лявшей одну из пластин воздушного конденсатора. Другая пластина — N —была укреплена на 16 мм ниже при помощи трех эбонитовых стоек а. Пластины эти могли заряжаться (одна положительно, а другая отрицательно) при помощи переключателя 5, соединявшего их с полюсами 10 000-вольтовой аккумуляторной батареи В. Капельки масла, появлявшиеся вблизи р, освещались сильным пучком света, проходившего сквозь два окошечка, расположенных в эбонитовом кольце одно против другого. Если смотреть через третье окошечко О, направленное к читателю, капля представляется яркой звездочкой на темном фоне. Капли, проходившие через отверстие р, оказывались обыкновенно сильно заряженными вследствие трения при вдувании струи...
… Капли, имеющие заряды одного знака с верхней пластинкой, а также имеющие слишком слабые заряды противоположного знака, быстро падают. Те же капли, которые имеют слишком много зарядов противоположного знака, быстро притягиваются верхней пластинкой, преодолевая силу тяжести. В результате через 7 или 8 мин поле зрения вполне проясняется, и в нем остается только сравнительно небольшое число капель, а именно те, которые имеют заряд, как раз достаточный, чтобы поддерживаться электрическим полем. Эти капли представляются отчетливо видимыми яркими точками. Я несколько раз получал только одну такую звездочку во всем поле, и она держалась там около минуты...
… Во всех случаях, без всякого исключения, оказывалось, что как первоначальный заряд, возникший на капле вследствие трения, так и многочисленные заряды, захваченные каплей у ионов, равны точным кратным наименьшего заряда, захваченного из воздуха. Некоторые из этих капель не имели первоначально никакого заряда, а затем захватывали один, два, три, четыре, пять, шесть или семь элементарных зарядов или электронов. Другие капли первоначально имели семь или восемь, иногда двадцать, иногда пятьдесят, иногда сто, иногда сто пятьдесят элементарных единиц и захватывали в каждом случае один или несколько десятков элементарных зарядов в продолжение наблюдений. Таким образом, наблюдались капли со всевозможным числом электронов между одним и ста пятьюдесятью… Когда число их не превышает пятидесяти, то ошибка тут так же невозможна, как и при счете собственных пальцев. Однако при подсчете электронов в заряде, в котором их содержится свыше ста или двухсот, нельзя быть уверенным в отсутствии ошибки… Но совершенно невозможно себе представить, чтобы большие заряды, как, например, те, с которыми мы имеем дело в технических применениях электричества, были построены, по существу, иначе, чем те малые заряды, которые мы можем сосчитать...
… Где бы ни встречался электрический заряд — на изоляторах или на проводниках, в электролитах или металлах,— везде он обладает резко выраженным зернистым строением. Он состоит из целого числа единиц электричества (электронов), которые все одинаковы. В электростатических явлениях эти электроны рассеяны по поверхности заряженного тела, а в электрическом токе они движутся вдоль проводника».
ОПЫТ РЕЗЕРФОРДА
Суть опыта Резерфорда, как вы знаете, заключалась в следующем. На пути узкого пучка альфа-частиц, испускаемых радиоактивным веществом, помещалась очень тонкая металлическая фольга из золота. Регистрировались альфа-частицы с помощью экрана из светящегося состава (сернистый цинк), расположенного вокруг мишени.
Чего можно было бы ожидать в результате попадания альфа-частиц в атомы золота, если бы атомы золота были сплошными шариками? Станут ли они расталкивать атомы золота, пробиваясь между ними, или же будут отскакивать от них в разные стороны?
Если альфа-частицам нужно будет как-то пробираться через гущу атомов золота, то им, естественно, придется претерпевать множество столкновений с ними, сотни и тысячи раз менять свое направление. И как следствие альфа-частицы будут рассеиваться, т. е. вылетать из золотого листка по самым различным направлениям .
На деле оказалось совсем не так. Подавляющая часть альфа-частиц проходила сквозь металл, почти не отклоняясь от прямолинейного пути, и лишь немногие отклонялись на большие углы, а иногда даже отскакивали назад .
Вспоминая через 20 лет об этих своих первых опытах, Резерфорд говорил: «Это было, пожалуй, самое невероятное явление, которое когда-либо встречалось в моей жизни. Оно было почти таким же невероятным, как если бы вы обстреливали 15-дюймовыми снарядами лист самой тонкой бумаги, а они отскакивали бы обратно и попадали в вас. После размышления над этим обстоятельством я убедился, что это обратное рассеивание могло быть результатом только прямого попадания. Но когда я произвел нужные расчеты, то увидел, что полученный результат по величине тоже невероятен, за исключением того единственного случая, когда вы имеете дело с системой, в которой большая часть массы атома сконцентрирована в ничтожно малом ядре».
Электрометр
Электрометр — прибор, позволяющий измерить электрический заряд, впервые был построен русским академиком Г. В. Рихманом, другом М. В. Ломоносова.
Об устройстве этого электрометра Рихман писал: «Указатель «электричества» (рис. 88) представляет собой вертикально расположенную металлическую линейку длиной около 52 см и массой около 615 г, к которой подводится электрический заряд от электрической машины. К линейке прикрепляется льняная нить длиной около 61 см и массой около 45 мг. Угол отклонения нити фактически позволяет измерить электрическую силу».
Громоотвод
1780 г. Небольшой городок Сент-Оморе во Франции. Один из жителей установил на своем доме громоотвод. Его соседи были так напуганы и возмущены этим фактом, что возбудили судебное дело против владельца громоотвода. Процесс длился около четырех лет и наделал много шума. Интересно отметить, что в качестве защитника на суде выступал М. Робеспьер, в то время еще молодой адвокат. Одним из экспертов со стороны истца был Марат, известный ученый и публицист, а впоследствии выдающийся деятель французской революции. Марат считал громоотвод опасной затеей и был против его установки. После долгой борьбы М. Робеспьер выиграл процесс.
ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКАОПЫТЫ ГАЛЬВАНИ
В конце 1780 г. профессор анатомии в Болонье Л. Гальвани занимался в своей лаборатории изучением нервной системы отпрепарированных лягушек.
Совершенно случайно получилось так, что в той же комнате работал его приятель-физик, производивший опыты с электричеством. Одну из препарированных лягушек Гальвани положил на стол, на котором стояла электрическая машина.
В это время в комнату вошла жена Гальваии. Ее взору предстала жуткая картина: при искрах в электрической машине лапки мертвой лягушки, прикасавшиеся к железному предмету (скальпелю), дергались. Жена Гальвани с ужасом указала на это мужу.
Столкнувшись с необъясненным явлением, Гальвани счел за лучшее детально исследовать его на опыте. «Я считал, что сделаю нечто ценное,— писал Гальвани,— если кратко и точно изложу историю моих открытий в таком порядке и расположении, в каком мне их доставил отчасти случай и счастливая судьба, отчасти трудолюбие и прилежание. Я сделаю то, чтобы дать как бы факел в руки тех, кто пожелает пойти по тому же пути исследования».
Последуем же за Гальвани в его опытах.
«Я разрезал лягушку и положил ее без всякого умысла на стол, где на некотором расстоянии стояла электрическая машина. Случайно один из моих ассистентов дотронулся до нерва лягушки скальпелем и в тот же момент мускулы лапки содрогнулись как бы в конвульсиях.
Другой ассистент, обыкновенно помогавший мне в опытах по электричеству, заметил, что явление это происходило лишь тогда, когда из машины извлекалась искра.
Пораженный новым явлением, я тотчас же обратил на него внимание, хотя замышлял в этот момент совсем иное и был всецело поглощен своими мыслями. Меня охватила неимоверная жажда и рвение исследовать это и пролить свет на то, что было под этим скрыто».
Гальвани решил, что все дело в электрических искрах. Чтобы получить более сильный эффект, он во время грозы вывесил на балкон несколько отпрепарированных лягушачьих лапок на медных проволочках. Однако молнии -гигантские электрические разряды никак не повлияли на поведение отпрепарированных лягушек. Что не удалось молнии, сделал ветер. При порывах ветра лягушачьи лапки раскачивались и иногда касались железных прутьев балкона. Как только это случалось, лапки дергались. Гальвани, однако, отнес явление все-таки на счет грозовых электрических разрядов.
«После успешных опытов во время грозы я пожелал,— пишет Гальвани,— обнаружить действие атмосферного электричества в ясную погоду. Поводом для этого послужило наблюдение, сделанное мною над заготовленными лапками лягушки, которые, зацепленные медным крючком, были подвешены на железную решетку забора моего сада: лапки содрогались не только во время грозы, но и тогда, когда небо было совершенно ясно. Подозревая, что эти явления происходят вследствие изменения атмосферы в течение дня, я предпринял опыты.
Когда я производил опыт под открытым небом, я был склонен принять теорию, что сокращения возникают вследствие атмосферного электричества, которое, постепенно проникнув в животное и собравшись в нем, неожиданно разряжалось, когда крючок приходил в соприкосновение с железными перилами.
Но, однако, в продолжение ряда дней в различные часы я наблюдал подвешенную на заборе лапку, но не обнаружил каких-либо движений в ее мускулах.
Когда же я перенес лягушку в комнату, положил на железную дощечку и прижал медный крючок к дощечке, те же самые спазматические содрогания были налицо.
Так легко обманываем мы себя при опытах и думаем, что действительно видели то, что желаем видеть.
Я производил опыт с разными металлами в различные часы дня в разных местах — результат был один и тот же, разница была в том, что содрогания были более сильные при одних металлах, чем при других.
Затем я испытал различные тела, которые не являются проводником электричества, например стекло, смолу, резину, камень и сухое дерево.
Явлений не было.
Это было несколько неожиданно и заставило меня предположить, что электричество находится внутри животного...»
Эта длинная цитата — интересная иллюстрация творческого метода Гальвани. Он провел, по сути дела, все эксперименты, чтобы получить правильные выводы. Отдадим дань его умению ставить эксперименты. Он показал, что для эффекта необходимы металлы, что при наличии тел, не являющихся проводниками электричества, никакого эффекта нет, наконец, он показал даже, что разные металлы дают разную степень эффекта.
Но правильного вывода Гальвани не сумел сделать. Будучи врачом, а не физиком, он видел причину в так называемом «животном электричестве». Свою теорию Гальвани подтверждал ссылкой на известные случаи разрядов, которые способны производить некоторые живые существа, например «электрические рыбы».
ВОЛЬТОВ СТОЛБ
Итальянский физик Алессандро Вольта подробно ознакомился с трактатом Гальвани «Об электрических силах в мускуле» и был потрясен. Он перечитал трактат и нашел в нем то, что ускользнуло от внимания самого автора,— упоминание о том, что эффект содрогания лапок наблюдался лишь тогда, когда лапок касались двумя различными металлами. Вольта решил поставить видоизмененный опыт, но не на лягушке, а на самом себе.
«Признаюсь,— писал он,— я с неверием и очень малой надеждой на успех приступил к первым опытам: такими невероятными казались они мне, такими далекими от всего, что нам доселе известно было об электричестве...»
Вольта брал две монеты, обязательно из разных метал- ] лов, и… клал их себе в рот — одну на язык, другую под язык.; Когда он соединял монеты про- | волокой, то чувствовал солоноватый вкус. Из опытов, проведенных раньше, Вольта знал, что такой вкус вызывается электричеством.
Поставив друг на друга свыше ста металлических (цинк и серебро) кружков, разделенных бумагой, смоченной соленой водой, Вольта получил довольно мощный источник электричества — Вольтов столб. Присоединив к верхнему и нижнему концам столба проводники и взяв их в рот, Вольта убедился, что источник действует продолжительное время.
Вслед за этим Вольта изобрел электрическую батарею, состоявшую из многих последовательно соединенных цинковых и медных пластин, опущенных попарно в сосуды с разбавленной кислотой. Этот источник электрической энергии по тем временам был достаточно мощным: с его помощью можно было привести в действие электрический звонок. Он получил название «короны сосудов».
20 марта 1800 г. Вольта сообщил о своих исследованиях Лондонскому королевскому обществу (так называлась Английская академия наук). Можно считать, что с этого дня источники постоянного электрического тока — Вольтов столб и батарея -стали известны многим физикам и нашли широкое применение.
Гальванический элемент. Любителям научных курьезов можно сообщить рецепт изготовления гальванического элемента из лимона, описанный еще в 1909 г. в журнале «Природа и люди» (№ 28). Острым ножом разрежьте лимон, стараясь не снимать и не разрывать тонких перегородок, которые делят лимон на гнезда. Затем в каждое гнездо воткните попеременно по кусочку (длиной 2 см) медной и цинковой проволоки и соедините их концы последовательно тонкой проволокой. У вас получится маленькая гальваническая батарея, дающая ток, хотя и очень слабый, но оказывающий некоторое физиологическое действие.
Простейший гальванический элемент можно устроить и так. Налейте в стакан крепкий раствор уксуса, нашатыря или поваренной соли и опустите в него медную и цинковую пластинки, причем они не должны касаться друг друга. Можно использовать медную монету и цинковую пластинку, вырезанную из корпуса старой батарейки. Между этими электродами надо положить кусок промокательной бумаги, смоченной раствором поваренной соли.
Проверить наличие тока можно при помощи чувствительного электроизмерительного прибора — гальванометра.
Один провод, идущий от гальванометра, подключите к цинковой пластинке, а вторым несколько раз притроньтесь к медной пластинке или монете — стрелка отклонится, что свидетельствует о наличии тока.
Модель гальванометра можно изготовить, используя электрический конструктор.
Возьмите подставку для магнитной стрелки. В прорези подставки установите бескаркасную катушку. На острие подставки укрепите шкалу гальванометра (шкалу вырежьте из листа бумаги и наклейте на картон) и установите магнитную стрелку. Бескаркасную катушку вместе с подставкой расположите так, чтобы под действием магнитного поля Земли стрелка находилась в плоскости витков катушки.
При пропускании по обмотке катушки электрического тока стрелка в зависимости от направления тока будет отклоняться' вправо или влево.
ИЗ ИСТОРИИ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЛАМПЫ
Мы видим ее всюду — у себя дома и в поезде, на улице и в трамвае, на заводе и в театре, в шахте и в самолете. Трудно перечислить все случаи применения этой лампы. Электрическое освещение стало для нас обычным. Однако было время — чуть более ста лет назад,— когда об электрическом свете, о «свете без огня», мечтали лишь ученые. Много труда затратили они, чтобы создать такую электрическую лампу, какой мы ее знаем теперь.
Большой вклад в дело создания «нового света» внесли наши соотечественники — русские электротехники прошлого века В. В. Петров, В. Н. Чиколев, П. Н. Яблочков, А. Н. Лодыгин и др.
Рассказ первый
Дуга Петрова
В начале XIX в. русский физик и электротехник Василий Владимирович Петров сделал открытие, которое позволило использовать электрическую энергию для освещения.
В книге, вышедшей в 1803 г., В. В. Петров так описал свое замечательное открытие:
«Если на стеклянную плитку или на скамеечку со стеклянными ножками будут положены два или три древесных угля и если потом металлическими изолированными направителями, сообщенными с обоими полюсами огромной батареи, приближать оные (т. е. угли) один к другому на расстояние от одной до трех линий (т. е. примерно от двух до шести миллиметров), то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее загораются и от которого темный покой довольно ясно освещен быть может».
Пламя имело форму дуги (. Поэтому явление получило название электрической дуги (дуги Петрова).
Ученый отмечает, что жар электрической дуги очень силен. В пламени дуги «сгорают» даже железные гвозди и медные пластинки. Это и не удивительно: теперь мы знаем, что температура в пламени дуги Петрова достигает 3500 °С.
Что же является причиной возникновения электрической дуги?
Вы знаете, что различные вещества по-разному проводят электрический ток, т. е. обладают различным сопротивлением.
Чтобы зажечь электрическую дугу, угольные стержни сближают. В момент их соприкосновения в цепи начинает течь электрический ток. Причем в месте контакта углей ток встречает сопротивление значительно большее, чем в самих углях. Поэтому концы углей в месте контакта сильно разогреваются и начинают испускать свет. От разогретых до белого каления концов нагревается и окружающий их воздух. Кроме того, такие угли начинают выделять раскаленные газы. Теперь, если слегка раздвинуть угли, электрический ток, идущий через них, не прекратится: раскаленные газы между углями начинают проводить ток. Так между раздвинутыми углями возникает непрерывный ток — светящаяся электрическая дуга.
Изобретением В. В. Петрова заинтересовались очень многие. В самом деле, ведь им был открыт совершенно новый источник света! Электрическая дуга давала невиданно яркий, белый свет. Как заманчиво было использовать ее для освещения!
Однако осуществить эту мысль на практике оказалось не так легко. Дело в том, что для получения электрической дуги требуется большая сила тока, а существовавшие в то время источники электрического тока — батареи гальванических элементов -давали, как правило, слабый ток.
Было и другое затруднение. При горении дуги угольные стержни постепенно сгорают, и расстояние между ними увеличивается. Наконец наступает момент, когда дуга внезапно гаснет: электрический ток между углями прерывается. Таким образом, чтобы получить постоянное горение дуги, необходимо поддерживать одно и то же расстояние между углями, сдвигать их по мере сгорания.
Как это делать?
Сдвигать угли просто руками неудобно и невыгодно: для этого у каждой лампы должен постоянно находиться человек. Нужно придумать какие-то механизмы, которые автоматически поддерживали бы необходимое расстояние между углями. Изобретатели предлагали различные регуляторы «дуговых электрических фонарей» (так были названы новые лампы, в которых свет давала электрическая дуга). Однако все эти регуляторы были неудобны для практического применения, и дуговые электрические лампы мало где использовались. Только в отдельных случаях -на маяках, на каких-либо празднествах или в физической лаборатории ученого — можно было увидеть лампу нового света.
Лишь через 70 лет известный русский электротехник В. Н. Чи-колев построил удобное и четко действующее приспособление для автоматической регулировки угольных стержней дуговых ламп. Однако дуговые лампы и после этого не получили широкого распространения: лампа с механическим регулятором стоила очень дорого.
Рассказ второй
Русский свет
В 1876 г. в Лондоне на выставке точных физических приборов русский изобретатель Павел Николаевич Яблочков демонстрировал перед посетителями необыкновенную электрическую свечу. Похожая по форме на обычную стеариновую свечу, она горела ослепительно ярким светом. В том же году «свечи Яблочкова» появились на улицах ПарижаПомещенные в белые матовые шары, они давали яркий приятный свет. В короткое время чудесная свеча завоевала всеобщее признание. «Свечами Яблочкова» освещались лучшие гостиницы, улицы и парки крупнейших городов Европы.
Привыкшие к тусклому свету свечей и керосиновых ламп, люди прошлого века восхищались «свечами Яблочкова». Новый свет называли «русским светом», «северным светом». Газеты западноевропейских стран писали: «Свет приходит к нам с севера — из России», «Россия — родина света».
Что же представляет собой «свеча Яблочкова»? По существу, это та же дуговая лампа, но у нее нет никаких регуляторов. «Мое изобретение,— писал Яблочков,— состоит в совершенном удалении всякого механизма, обыкновенно встречающегося в электрических лампах...»
Задачу регулировки углей при горении лампы Яблочков решил гениально просто. Он поместил угли не против друг друга, а рядом, на таком расстоянии, чтобы между ними при пропускании тока возникала дуга. Чтобы дуга горела только вверху, у концов угольные стержни были разделены слоем, не проводящим электричество, например слоем глины или гипса.
Такое устройство дуговой лампы действительно напоминает собой обыкновенную свечу. Для запала «свечи» применялась тонкая пластинка из материала, плохо проводящего электрический ток. Эта пластинка соединяла друг с другом верхние концы углей. При пропускании электрического тока через «свечу» пластинка сгорала и между концами углей возникала дуга. По мере сгорания углей изолирующий слой между ними постепенно испарялся. Угли же за время горения находились на одном и том же расстоянии друг от друга. Их не нужно было сдвигать ни вручную, ни с помощью каких-либо сложных приспособлений!
«Электрическая свеча Яблочкова», простая и дешевая, горела ярким ровным светом.
Знаменитый изобретатель неустанно работал над усовершенствованием своих «свечей». Изменяя химический состав изолирующей массы, Яблочков создавал лампы со светом различных оттенков. Он соединял несколько «свечей» так, что, когда гасла одна, автоматически загоралась другая. Он конструировал самые различные по силе света лампы.
Но это было не все. Совершенствуя свое изобретение, П. Н. Яблочков старался избавиться от одного существенного недостатка. Дело в том, что при работе на постоянном токе один уголь «свечи» сгорает вдвое быстрее, чем другой. Чтобы избежать неравномерного сгорания углей, Яблочков один из стержней делает более толстым. Однако это не так удобно и невыгодно. Изобретатель упорно ищет другое решение задачи. И находит его. Он использует для питания «свечей» не постоянный, а переменный ток. В этом случае оба угля сгорают равномерно. Таким образом, П. Н. Яблочков — первый человек, практически применив-1 ший переменный ток в электротехнике! До его работ считалось, | что переменный ток не годится для широкого практического 1 применения.
Кроме того, он решил задачу так называемого «дробления электрического света». Яблочков разработал такую схему соеди-1 нения дуговых ламп в цепь, при которой один источник тока мог обслужить уже не одну, а большее число ламп. Это достигалось с помощью особых индукционных катушек, работающих по принципу трансформатора (устройства, понижающего и повышаю- I щего напряжение электрического тока).
Таким образом, П. Н. Яблочковым впервые был применен в электротехнике и принцип трансформации электрической энергии.
К 1880 г. «русский свет» освещал многие города мира.
В России «электрические свечи» освещали улицы Москвы, Петербурга, Нижнего Новгорода, Полтавы и других городов. >
Рассказ третий
Угольная лампа накаливания
В начале 70-х гг. XIX в. Александр Николаевич Лодыгин создал новые электрические лампы — лампы накаливания, те самые, которые уже к началу нашего века завоевали весь мир. Так, у «свечей Яблочкова», кроме старых соперников — газовых рожков,— появился новый.
«Свечи Яблочкова» не выдержали соперничества и очень скоро начали повсеместно гаснуть. И хотя в наши дни «электрическая свеча Яблочкова» является уже достоянием истории, мы не должны забывать, что именно работы русского изобретателя П. Н. Яблочкова дали электрическому свету путевку в жизнь. «Электрической свече» мы, бесспорно, обязаны тем, что удалось ввести электрический свет в повседневный обиход.
Уже давно, с самого начала XIX в., было известно, что электрический ток, проходя по проводнику, нагревает его.
Если сила тока большая, то проводник нагреется до температуры белого каления и даже может расплавиться. Это действие электрического тока и было использовано изобретателями новых электрических ламп — ламп накаливания.
Однако изготовить электрические лампы накаливания, которые давали бы достаточно яркий свет и в то же время работали продолжительное время, оказалось делом нелегким. Основная причина этого заключалась в том, что тонкие металлические проволочки, как правило, очень быстро плавились, как только их разогревали до необходимой температуры. Кроме того, раскаленные металлические нити окислялись в воздухе ив силу этого быстро «перегорали».
Работая над конструированием ламп, электротехники пробовали изготовить нити накала из платины. Платина плавится только при температуре около 1750 °С и не окисляется, но этот материал был очень дорогим; в то же время при сильном нагревании платиновые нити все равно размягчались.
Многочисленные попытки сделать практически пригодную лампу накаливания долгое время оканчивались неудачей. И лишь в 1872—1873 гг. замечательный русский электротехник А. Н. Лодыгин создает первую удачную конструкцию новой электрической лампы.
Первая лампа накаливания Лодыгина была устроена так: в небольшой стеклянный шар впаяны две медные проволочки, соединенные с источником тока. Между ними закреплен тонкий угольный стержень. Как только через медные проволочки и угольный стержень пропускали электрический ток, стержень благодаря большому сопротивлению раскалялся и светился ярким светом. Чтобы он не сгорал быстро, из стеклянного шара откачивали воздух. Такие лампы горели недолго — 20—30 мин.
Однако уже в следующие два года А. Н. Лодыгин создает новые, улучшенные образцы электрических ламп накаливания, которые были способны гореть несколько часов.
Достоинства лампы накаливания по сравнению с дуговыми были очевидны. Лампы накаливания давали мягкий и яркий свет, потребляли мало электрической энергии, были просты и совершенно безопасны в использовании, сравнительно недороги и поэтому удобны для освещения жилых помещений.
В 1873 г. Лодыгин демонстрировал свои лампы в Петербурге. Лампами нового света была освещена одна из улиц русской столицы.
«Масса народа любовалась этим освещением, этим огнем с неба,— писал один из современников Лодыгина о его лампах.— Лодыгин первый вынес лампу накаливания из физического кабинета на улицу».
В этом же году в Технологическом институте Лодыгин показал, что его лампы могут применяться в самых различных условиях: и в сигнальных железнодорожных фонарях, и в электрических фонарях для подводных работ, и в фонарях для каменноугольных шахт и т.п. Через три года Электрический фонарь Лодыгина для подводных работ был применен при строительстве подводных частей моста через Неву. Каждый такой фонарь можно было очень легко зажечь и погасить отдельно от других.
Русская Академия наук в 1874 г. присудила Лодыгину за лампу накаливания Ломоносовскую премию. В решении по этому вопросу указывалось, что А. Н. Лодыгин сделал открытие, «обещающее произвести переворот в каждом вопросе об освещении».
Изобретение Лодыгина действительно произвело переворот. Именно благодаря его работам в каждом уголке мира засияла электрическая лампа.
В 1890 г. А. Н. Лодыгин предложил изготовлять лампы накаливания с металлическими нитями из тугоплавких металлов — вольфрама, молибдена, осмия, иридия, палладия. В 1900 г. лампы Лодыгина с металлической нитью накаливания демонстрировались на Всемирной выставке.
Практическое применение лампы с вольфрамовой нитью получили после 1910 г., когда был найден способ изготовления тянутых нитей из вольфрама.
Первые лампы с вольфрамовой нитью довольно быстро перегорали. Начались поиски причин быстрой «смерти» ламп. Оказалось, что на вольфрамовый волосок вредно влияет воздух, который все же оставался в лампе после его откачивания. Тогда при изготовлении электрических ламп с вольфрамовой нитью стали особенно тщательно следить за тем, чтобы воздух был по возможности полностью удален из баллона лампы.
Но появилась новая беда: вольфрамовая нить при высокой температуре довольно сильно испарялась и в результате этого очень быстро разрушалась. Тогда для уменьшения испарения металла баллон лампы решили наполнить газом, не действующим на раскаленную нить, таким, как аргон и азот. Распыление нити стало меньше. Уменьшение разрушения вольфрамовой нити позволило поднять температуру ее накала выше, чем в пустотных лампах. Отсюда большая яркость и экономичность газонаполненных ламп.
В таком виде и существует в наши дни электрическая лампа накаливания.
Последнее время учеными ведутся работы по изготовлению нитей накала из сверхтугоплавких веществ. К таким веществам относятся, например, химические соединения карбид-тантал и карбид-цирконий. Нить накала, изготовленная из этих веществ, способна выдерживать температуру свыше 4000 °С.
Не забыта в наше время и дуговая лампа. Ученые много сделали для совершенствования электрических дуговых ламп. Вытесненные с улиц, эти мощные лампы успешно применяются в прожекторах, на маяках, в кинопроекционных аппаратах.
Рассказ четвертый
Семидесятые годы прошлого столетия — это время перехода электрической лампы из лаборатории ученых в дома, на производство. Большую роль в этом сыграли работы Т. Эдисона.
Во-первых, он усовершенствовал лампу Лодыгина, увеличив разрежение в баллоне и применив в качестве нитей накаливания обугленные бамбуковые волокна. Эдисон придумал также патрон к лампе и выключатель — приспособления, которыми мы пользуемся до сих пор. Но сама лампа изменилась: теперь в ней накаливается не бамбуковое волокно, а вольфрамовая нить. Это усовершенствование внес в эдисонову лампу Лодыгин. Так дважды скрещивались творческие замыслы двух изобретателей.
Во-вторых, Эдисон построил генератор электрической энергии (динамо-машину), способный питать электрическим током несколько десятков ламп так, что они могли гореть независимо друг от друга (решил задачу дробления электроэнергии).
В-третьих, изобрел счетчик электроэнергии, который позволял определять израсходованную электроэнергию. В работе счетчика Эдисон использовал химическое действие тока. Вы знаете, что при прохождении тока через раствор электролита (например, раствор медного купороса) на катоде выделяется вещество (в данном случае Медь). Чем больше зарядов проходит через раствор электролита, тем больше вещества выделяется на катоде.
Счетчик состоял из сосуда с раствором медного купороса, в который были опущены две пластины. Когда счетчик включали в сеть, одна пластина заряжалась положительно (анод), другая — отрицательно (катод). В конце какого-нибудь промежутка времени, например каждого месяца, определяли массу меди, выделившейся на катоде, и по законам электролиза рассчитывали израсходованную электроэнергию.
В настоящее время используют счетчики, действие которых основано на явлении движения проводника в магнитном поле.
В-четвертых, Эдисоном были изобретены плавкие предохранители и многое другое, что позволило широко использовать электрическое освещение.
Именно поэтому Эдисона называют отцом современного электрического освещения.
Рассказ пятый
Современная электрическая лампа накаливания
Но кроме электрических ламп, используемых для освещения, существуют и другие типы ламп. ламп снабжен штыковым затвором. Их вставляют в специальный патрон с пружиной и вырезами для штифтов и поворачивают.
Кроме этих ламп, наша промышленность выпускает и другие. Такие, как лампы-гиганты, применяемые для морских маяков. Некоторые из них имеют высоту более метра, массу свыше 7 кг, а мощность 50 000 Вт. Существуют и лампы-малютки массой 0,02 г и мощностью 0,4 Вт. Такие лампы используют в медицине.
Современная лампа накаливания — очень удобный, безопасный и дешевый источник света. Но в ней лишь 7% энергии превращается в энергию видимого света. Будущее принадлежит совсем иным лампам — лампам дневного света (об их устройстве и работе вы узнаете в старших классах), которые более экономичны и дают свет, более похожий на дневной.
Интересно знать
В древних архивах сохранились записи, свидетельствующие о том, что императора Нерона, страдавшего ревматизмом, придворные врачи лечили электрованнами. Для этого в деревянную кадку с водой помещали рыб, способных испускать электрические разряды. Находясь в такой ванне, император в течение предписанного врачами времени подвергался действию электрических разрядов и полей. Лечение проходило успешно.
Впервые вне лаборатории и классной комнаты электрическая дуга была применена в 1845 г. в Парижской опере, чтобы воспроизвести эффект восходящего солнца. Успех был полный!
В прошлом веке в Швейцарии была изобретена «электрическая нянька». Изобретатель предложил в детской кроватке под простыню подкладывать две тонкие металлические сетки, изолированные друг от друга сухой прокладкой и соединенные с низковольтным источником тока и звонком. Как только прокладка намокала, электрическая цепь замыкалась и начинал звенеть звонок, извещая мать о том, что нужно сменить пеленки.
В Таиланде при строительстве линий электропередач перед электриками неожиданно возникли две проблемы. Первая — как предохранить линии высокого напряжения от обезьян, которые, подражая монтерам, легко влезают на опорные столбы и, играя проводами, производят короткие замыкания. Вторая — как обезопасить линии от слонов, выворачивающих опоры.
Юным техникам, вероятно, хорошо знакомы лампочки для карманных фонарей. Они меньше осветительных по размерам и рассчитаны на напряжение 3,5 В. Лампы, применяемые в устройствах, подвергающихся тряске (в автомобилях, киноаппаратах), не имеют винтовой нарезки на цоколях. Цоколь этих ламп снабжен штыковым затвором. Их вставляют в специальный патрон с пружиной и вырезами для штифтов и поворачивают (.
Кроме этих ламп, наша промышленность выпускает и другие. Такие, как лампы-гиганты, применяемые для морских маяков. Некоторые из них имеют высоту более метра, массу свыше 7 кг, а мощность 50 000 Вт. Существуют и лампы-малютки массой 0,02 г и мощностью 0,4 Вт. Такие лампы используют в медицине.
Современная лампа накаливания — очень удобный, безопасный и дешевый источник света. Но в ней лишь 7% энергии превращается в энергию видимого света. Будущее принадлежит совсем иным лампам — лампам дневного света (об их устройстве и работе вы узнаете в старших классах), которые более экономичны и дают свет, более похожий на дневной.
Интересно знать
В древних архивах сохранились записи, свидетельствующие о том, что императора Нерона, страдавшего ревматизмом, придворные врачи лечили электрованнами. Для этого в деревянную кадку с водой помещали рыб, способных испускать электрические разряды. Находясь в такой ванне, император в течение предписанного врачами времени подвергался действию электрических разрядов и полей. Лечение проходило успешно.
Впервые вне лаборатории и классной комнаты электрическая дуга была применена в 1845 г. в Парижской опере, чтобы воспроизвести эффект восходящего солнца. Успех был полный!
В прошлом веке в Швейцарии была изобретена «электрическая нянька». Изобретатель предложил в детской кроватке под простыню подкладывать две тонкие металлические сетки, изолированные друг от друга сухой прокладкой и соединенные с низковольтным источником тока и звонком. Как только прокладка намокала, электрическая цепь замыкалась и начинал звенеть звонок, извещая мать о том, что нужно сменить пеленки.
В Таиланде при строительстве линий электропередач перед электриками неожиданно возникли две проблемы. Первая — как предохранить линии высокого напряжения от обезьян, которые, подражая монтерам, легко влезают на опорные столбы и, играя проводами, производят короткие замыкания. Вторая — как обезопасить линии от слонов, выворачивающих опоры.
«Багдадская батарея». Возьмите обычный лимон, воткните в него оцинкованный гвоздь (это будет «минус») и медную монету («плюс»). Такая «батарейка» способна выдать примерно 1 вольт. Четырех лимонов достаточно, чтобы зажечь маленький светодиод.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящее время электрическая энергия имеет огромное применение во всех сферах человеческой деятельности Электроэнергия, вырабатываемое огромными атомными; гидро; тепло; газотурбинными и другими электростанциями транспортируется по линиям электропередач (ЛЭП) к городам; поселкам промышленным районам и объектам освещает улицы и дома, обогревает, крутит электрические машины, при помощи которых мощные электровозы перевозят составы с всевозможными грузами, вращает гребные валы огромных ледоколов и военных подводных лодок, при помощи электроэнергии работают всевозможные краны и конвейеры, троллейбусы и трамваи перевозят пассажиров используя для движения также электроэнергию, всевозможные электроприборы которые используют в медицине и в быту которые являются первейшими помощниками, электроэнергия обеспечивает работу практически всех приборов связи включая и космическую, телевидение и радио, звучание музыки.
Другими словами – человечество и не мыслит своё существование на нашей планете без электрической энергии.
Список использованной литературы
БСЭ, том 30, стр. 48-49, столбцы 130-133
Книга для чтения по физике: Учебное пособие для учащихся 6-7 классов средней школы
Составитель И Г. Кириллова стр.148 171
Журнал «Мир Фантастики» № 9 сентябрь 2006г стр. 131
www.ronl.ru
Министерство образования и высшей школы Республики Коми
Управление образования администрации МО Городской округ Усинск
Муниципальная средняя общеобразовательная школа 5
Реферат
по физике
на тему: Электрические явления
2008 г.
Оглавление
Введение
Основная часть
Заключение
Список использованной литератуы
Введение
Электричество совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием электрически зараженных тел или частиц, Взаимодействие электрических зарядов осуществляется с помощью электромагнитного поля ( в случае неподвижных электрических зарядов электростатические поля). Движущиеся заряды (электрический ток) наряду с электрическим возбуждают и магнитное поле, т.е. порождают электромагнитное поле, посредством которого осуществляется электромагнитное взаимодействие(учение о магнетизме, т.о., является составной частью общего учения об электричестве). Электромагнитные явления описываются классической электродинамикой, в основе которой лежат уравнения Максвелла.
Законы классической теории электричества охватывают огромную совокупность электромагнитных процессов. Среди 4 типов взаимодействий ( электромагнитных, гравитационных, сильных и слабых), существовавших в природе, электромагнитные занимают первое место по широте и разнообразию проявлений. Это связано с тем, что все тела построены из электрически заряженных частиц противоположенных знаков, взаимодействие между которыми, с одной стороны, на много порядков интенсивнее гравитационных и слабых, а с другой являются дальнодействующими в отличии от сильных взаимодействий, Строение атомных оболочек, сцепление атомов в молекулы (хим. Силы) и образование конденсированного вещества определяются электромагнитным взаимодействием.
Цель Реферата в том, чтобы показать , что человечество не мыслит своё существование на Земле без электричества.
Историческая справка. Простейшие электрические и магнитные явления известны ещё с глубокой древности. Были найдены минералы, притягивающие кусочки железа, а также обнаружено, что янтарь( от греческого электрон, отсюда термин электричества), потертый о шерсть, притягивает легкие предметы (электризация трением). Однако лишь в 1600 У. Гильберт впервые установил различия между электрическими и магнитными явлениями, Он открыл существование магнитных полюсов и неотделимость их друг от друга, а также установил, что земной шар гигантский магнит.
В 17 1-й пол. 18 вв. проводились многочисленные опыты с наэлектризованными телами, были построены первые электростатические машины, основанные на электризации тернием, установлено существование электрических зарядов двух родов (Ш. Дюфе), обнаружена электропроводность металлов (англ. Ученый С. Грей). С изобретением первого конденсатора лейденские банки (1745) появилась возможность накапливать большие электрические заряды. В 1747-53 Б. Франклин изложил первую последовательную теорию электрических явлений, окончательно установил электрическую природу молнии и изобрел молниеотвод.
Во 2-й пол. 18 в. Началось количественное изучение электрических и магнитных явлений, Появились первые измерительные приборы электроскопы различных конструкций, электрометры. Г. Кавендиш (1773) и Ш. Кулон (1785) экспериментально установили закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов ( работы Кавендиша были опубликованы лишь в 1879). Этот основой закон электростатики (Кулона закон) впервые позволил создать метод измерение электрических зарядов по силам взаимодействия между ними, Кулон установил также закон взаимодействия между полюсами длинных магнитов и ввёл понятие о магнитных зарядах, сосредоточенных на концах магнитов.
Следующий этап в развитии науки об электричестве связан с открытием в кон. 18 в. Л. Гальвани животного электричества и работами А. Вольты, который правильно истолковал опыты Гальвани присутствием в замкнутой цепи 2 разнородных металлов в жидкости и изобрел первый источник электрического тока гальванический элемент(вольтов столб 1800), создающий непрерывный(постоянный) ток в течение длительного времени, В 1802 В.В. Петров, построив гальванический элемент значительно большей мощности, открыл электрическую дугу, исследовал её свойства и указал на возможность применения её для освещения, а также для плавления и сварки металлов. Г. Дэви электролизом водных растворов щелочей получил (1807) неизвестные ранее металлы натрий и калий. Дж. П. Джоуль установил (1841), что количество теплоты, выделяемой в проводнике электрическим током, пропорциональна квадрату силы тока; этот закон был обоснован (1842) точными экспериментами Э. Х. Ленца (закон Джоуля Ленца). Г.Ом установил (1826) количество зависимости электрического тока от напряжения в цепи. К. Ф. Гаусс сформулировал (1830) основную теорему электростатики (теорема Гаусса).
Наиболее фундаментальное открытие было сделано Х. Эрстедом в 1820; он обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку явление, свидетельствовавшее о связи между электричеством и магнетизмом. Вслед за этим в том же году А. М. Ампер установил закон взаимодействия электрических токов(закон Ампера) Он показал также, что свойства постоянных магнитов могут быть объясне
www.studsell.com
средняя общеобразовательная школа № 6
Муниципального образования Темрюкский район
Поурочный план урока по физике в 8 классе.
Урок по теме «Электрические явления».
Солощенко Г.М.- учитель физики
М БОУ СОШ № 6
Старотитаровская 2011 год
Тема урока: «Электрические явления»
Цели урока:
Образовательные
1. Систематизировать и обобщить знания учащихся об электризации тел.
2. На основании электронной теории объяснить процесс электризации тел.
3. Показать взаимосвязь явлений в окружающем мире.
Воспитательные
1. Формирование в ходе урока идей познаваемости мира.
2. Формировать коммуникативную и эмоциональную культуру, способствовать расширению кругозора.
3. Продолжение формирования умений: выполнение измерений, пользование таблицами, проведение простых экспериментов.
Развивающие
1. Развивать монологическую речь, все виды памяти, наблюдательность.
2. Дальнейшее формирование приёмов логической деятельности.
3. Работать с дополнительной литературой, развивать способность анализировать и обобщать полученные данные.
Оборудование: интерактивная доска, компьютер, электрофорная машина, чувствительный гальванометр, соединительные провода, картофель, огурец, яблоко, гальванические элементы.
Оформление: фотографии электрических скатов, фотографии молнии.
^ Запись на доске: Электричество кругом,
Полон им завод и дом.
Везде заряды: там и тут,
В любом атоме « живут»
А если вдруг они бегут,
То тут же токи создают
Нам токи очень помогают,
Жизнь кардинально облегчают!
Удивительно оно,
На благо нам обращено,
Всех проводов « величество»
Зовётся электричество.
Слайд на интерактивной доске: Электрические явления:
Гроза. Молния. Молниеотвод. Электрическая машина.
Электрические скаты, сомы, угри.
От лягушачьих лапок к «Вольтову столбу».
Гальванический элемент.
Генерация, Электрофорез. Дефибрилляция.
^ Ход урока.
Организационный момент.
Учитель: Здравствуйте, ребята. Тема урока «Электрические явления».
Учащиеся читают надписи на доске вслух, записывают тему в тетради.
Проверка знаний
Учитель: Закрепим пройденный материал.
1. Самостоятельная работа.
Самостоятельная работа на 5 – 7 минут, у каждого ученика на столе распечатанный вариант.
1 вариант.
1. Стекло при трении о шёлк заряжается…
а) положительно;
б) отрицательно.
2. Если наэлектризованное тело отталкивается от эбонитовой палочки, натёртой о мех, то оно заряжено…..
а) положительно;
б) отрицательно.
3. Три пары шариков подвешены на нитях. Какая пара шариков незаряжена?
а) первая;
б) вторая;
в) третья.
4. Какая пара шариков имеет одинаковые заряды?
а) первая;
б) вторая;
в) третья.
5. Какая пара шариков имеет разноименные заряды?
а) первая;
б) вторая;
в) третья.
6. Тело заряжено отрицательно тогда, когда сумма всех положительных зарядов в теле….
а) равна сумме всех отрицательных зарядов в нем;
б) больше суммы всех отрицательных зарядов в нем;
в) меньше суммы всех отрицательных зарядов в нем;
7. Как назвали частицу с самым малым зарядом?
8. Что называют электризацией?
9. Запишите основные свойства электрического поля.
2 вариант.
1. Эбонит при трении о шерсть заряжается…
а) положительно;
б) отрицательно.
2. Вещества, по которым заряды могут передвигаться, называются……
а) проводниками;
б) изоляторами;
в) диэлектриками.
3. Какой заряд имеет шарик, к которому поднесли наэлектризованную палочку?
а) положительный;
б) отрицательный.
4. Одноимённые тела………, а разноименно заряженные….
а) отталкиваются, ……….притягиваются.
б) притягиваются, ………..отталкиваются.
5. Какие из перечисленных веществ относятся к диэлектрикам:
а) резина;
б) медь;
в) пластмасса;
г) сталь.
6. Что произойдёт, если положительно заряженной палочкой коснуться отрицательно заряженного тела?
а) часть электронов перейдёт с палочки на тело;
б) часть электронов перейдёт с тела на палочку.
7. Как направлены линии электрического поля, если поле существует вокруг положительного заряда?
8. Каково происхождение слова «электричество»?
9. Запишите закон сохранения электрического заряда.
2. Фронтальный опрос.
Учитель: Сейчас вспомним ряд положений, вытекающих из электронной теории:
1. Когда тело нейтрально?
Ученик: Тело нейтрально, когда сумма всех отрицательных зарядов в теле равна по абсолютному значению сумме всех положительных зарядов и тело в целом не имеет заряда.
Учитель:
2. Что означает, тело заряжено отрицательно?
Ученик: Тело заряжено отрицательно в том случае, если оно обладает избыточным, по сравнению с нормальным, числом электронов.
Учитель:
3. Когда тело обладает положительным зарядом?
Ученик: Тело обладает положительным зарядом в том случае, если у него недостаточно электронов, («недостаток электронов»).
Разминка
Учитель: I. Исходное положение: руки на поясе, правильный ответ – поворот направо, неправильный ответ – поворот налево.
1. Ядро атома состоит из протонов и электронов? (нет)
2. Атом состоит из протонов, нейтронов и электронов? (да).
3. Электроны вращаются вокруг ядра? (да).
4. Нуклоны – это нейтроны и электроны. (нет).
II. Исходное положение: руки вдоль туловища, правильный ответ – руки вперёд, неправильный – руки вверх.
1.Изучением взаимодействия электрических зарядов занимались Майкл Фарадей и Джеймс Максвелл? (да).
2. Эти учёные – французы? (нет).
3.За единицу электрического заряда принят кулон? (да).
4.Электроскоп – простейший прибор для обнаружения электрических зарядов? (да).
Изучение нового материала.
Учитель: Спасибо. Молодцы. Занимайте свои места.
Молния и гром – это одно из грозных, но величественных явлений, с которыми человек был знаком ещё с древности. Разбушевавшаяся стихия. Обрушивалась на него в виде ослепляющих гигантских молний, грозных громовых ударов, ливня и града. В страхе перед грозой люди обожествляли её, считая орудием богов.
Но человек, наблюдая, накапливал свои знания и благодаря самоотверженному труду, таинственный покров с грозы был снят. Сейчас известно электрическое происхождение этих грозных явлений.
У вас было дополнительное домашнее задание. По желанию подготовить рассказ, сообщения об электрических явлениях.
Какие бывают молнии?
К чему приводит их действие?
Как защитить себя от молний?
Ученик: Чаще всего мы наблюдаем молнию, напоминающую извилистую реку с притоками. Такие молнии называют линейными, их длина при разряде между облаками достигает более 20 км. Молнии других видов можно увидеть значительно реже.
Электрический заряд в атмосфере в виде линейной молнии представляет собой электрический ток, причём сила тока меняется за 0,2 -0,3 секунды. Примерно 65 % всех молний, которые наблюдаются у нас имеют значение силы тока 10000 А, но редко достигает и 230000 А.
Канал молнии, через который протекает ток, сильно разогревается и ярко светит. Температура канала достигает десятков тысяч градусов, давление повышается, воздух расширяется и происходит как бы взрыв раскалённых газов. Это мы воспринимаем как гром. Удар молнии в наземный предмет может вызвать пожар. Молния чаще всего поражает высокие сооружения. Она может ударить и в ровную поверхность земли, там, где электрическое сопротивление почвы меньше. По этой причине молния поражает берега рек и ручьёв.
При ударе молнии, например в дерево, оно нагревается, влага из него испаряется, а давление образовавшегося пара и нагревшихся газов приводят к разрушениям.
Для защиты зданий и других построек от грозовых разрядов применяют молниеотводы, которые представляют собой металлический стержень, возвышающийся над защищаемым объектом. Основное назначение молниеотводов – не принимать удар на себя, а предотвратить его возникновение. Это достигается тем, что на острие молниеотвода под влиянием заряда облака скапливается разноименный заряд, который уходит в воздух, электрическое поле ослабевает и уменьшается вероятность удара молнии.
Если молния ударяет в человека или животное, то удар бывает чаще всего смертельный. Поэтому во время грозы нельзя подходить к высоким одиночным предметам, а укрыться нужно в небольшом углублении на склоне холмов, выбирая место между деревьями, растущими на расстоянии 15-25 метров. Пострадавшему от молнии, находящемуся в бессознательном состоянии, до прибытия врача надо делать искусственное дыхание.
Учитель: Какие ученые изучали атмосферное электричество?
Американский ученый Франклин, изучая грозовые облака, запускал в воздух змея. Русские ученые М.В. Ломоносов и его друг Г. Рихман доказали, что электрические заряды во время грозы образуются в результате трения воздушных потоков. Теперь молнию люди научились побеждать – это уже не загадочное явление. Человек может отвлечь молнию от своих жилищ с помощью высоких, заземленных, металлических стержней – громоотводов, правильнее – молниеотводов. И в школе можно наблюдать молнию (миниатюрную), и мини-гром можно услышать, используя электрическую машину.
(Демонстрационный эксперимент: разряд между кондукторами электрофорной машины, шарики – мини-тучи).
Учитель: В 1960 году на выставке, организованной английским научным Королевским обществом в честь 300-летия со дня его организации, среди загадок природы, которые человеку еще предстоит решить, демонстрировался обычный стеклянный аквариум, с находящейся в нем рыбой – электрическим скатом. К аквариуму через металлические электроды был подключен вольтметр. Когда рыба была в покое, система вольтметра стояла на нуле. При движении рыбы вольтметр показывал напряжение, достигающее 400В. Надпись на аквариуме гласила: «Природу этого явления, наблюдаемого задолго до организации английского Королевского общества, человек разгадать до сих пор не может». На тело самих рыб такое высокое напряжение не оказывает действия.
Электрические органы у рыб стали прообразами первых источников тока. Однако все начиналось с опытов Луиджи Гальвани.
Ученик: От лягушачьих лапок к Вольтову столбу.
Во второй половине 18 века многие врачи проводили разнообразные опыты, выясняя действие электричества на организм животных и человека. Например, под действием разряда электрических машин наблюдали сокращение мышц, даже если это были лапки не живой, а мертвой лягушки. Такие опыты с лапками лягушек в 1786 году проводил итальянский анатом Луиджи Гальвани. Однажды он подвесил на медных крючках задние лапки лягушек к железной решетке балкона своего дома. Гальвани был очень удивлен, обнаружив, что мышцы лапок сокращались при отсутствии электрической машины, если надавить на крючки.
Соотечественник Гальвани профессор физики Александро Вольта выполнив его опыты и проделав новые, пришел к совершенно иному заключению: никакого «животного» электричества не существует, а роль источника электричества в опытах Гальвани приписал к контакту двух разнородных металлов, а лапки лягушек он считал лишь чувствительным электромером. Вольта подчеркивал, что разнородные металлы здесь не простые проводники или передатчики тока, а «настоящие двигатели электричества». Ученый исследовал контакты разных металлов. Столбик, составленный из сложенных попарно медных и цинковых пластин, разделенных влажной прокладкой получил название вольтова столба. Он был построен в 1800 году. Вольтов столб в действительности представлял собой простейшую батарею, составленную из последовательно соединенных медно-цинковых элементов (элементов Вольта). Элемент Вольта и изобретенные позднее подобные ему источники тока назвали гальваническими элементами.
Русский ученый Василий Владимирович Петров в 1802 году изготовил огромную батарею: она состояла из 4200 медных и цинковых кружков между каждой парой которых были картонные кружочки, пропитанные раствором нашатыря. Напряжение на зажимах этой батареи составляло 650-1700В. Это был первый в истории источник постоянного тока сравнительно высокого напряжения.
^ После рассказа учитель показывает гальванические элементы.
Учитель: А сейчас проведём небольшое исследование.
Учащиеся выполняют задания «Странные источники тока»
1) Поместить на расстоянии 2-3 см друг от друга медную и железную петли на поверхности овоща (погрузив на 1-1,5 см).
2) Соединительными проводами подключить к чувствительному гальванометру.
3) Результат объяснить.
Ученик: Овощи состоят из химических элементов, поэтому являются химическими источниками тока.
Учитель: Сейчас уже доказано, что деятельность нервов, мышц и других тканей сопровождается созданием (генерацией) электрических токов.
Нельзя забывать, что электрический ток может оказывать и лечебное действие на ткани.
^ Учитель обращает внимание на таблицу, в которой приведены некоторые эффекты действия токов в организме.
^ Сила тока при частоте 60 Гц
Эффект действия тока
0 - 0,5 мА
Отсутствует
0,5 – 2 мА
Потеря чувствительности
2 – 10 мА
Боль, мышечные сокращения
10 – 20 мА
Растущее воздействие на мышцы, некоторые повреждения
16 мА
Ток, выше которого человек уже не может освободиться от электродов
20 – 100 мА
Дыхательный паралич
100 мА – 3 А
Смертельные желудочковые фибрилляции (необходима немедленная реанимация)
Более 3А
Остановка сердца. (Если шок был кратким, сердце можно реанимировать.) Тяжелые ожоги.
Итог урока.
Учитель: казалось бы человеку сегодня всё ясно с электрическими явлениями. Мы рассмотрели некоторые примеры в живой природе, которые помогли самым любознательным людям выяснить причину многих из них. Но! Окончательных побед в науке не бывает!
«Наука не является, и никогда не будет являться законченной книгой. Каждый новый успех приносит новые вопросы».
А, Эйнштейн.
Домашнее задание: п.31, п. 32.
www.ronl.ru
Министерство образования и высшей школы Республики Коми
Управление образования администрации МО «Городской округ Усинск»
Муниципальная средняя общеобразовательная школа 5
Реферат
по физике
на тему: «Электрические явления»
2008 г.
Оглавление
Введение
Основная часть
Заключение
Список использованной литератуы
Введение
Электричество – совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием электрически зараженных тел или частиц, Взаимодействие электрических зарядов осуществляется с помощью электромагнитного поля ( в случае неподвижных электрических зарядов – электростатические поля). Движущиеся заряды (электрический ток) наряду с электрическим возбуждают и магнитное поле, т.е. порождают электромагнитное поле, посредством которого осуществляется электромагнитное взаимодействие(учение о магнетизме, т.о., является составной частью общего учения об электричестве). Электромагнитные явления описываются классической электродинамикой, в основе которой лежат уравнения Максвелла.
Законы классической теории электричества охватывают огромную совокупность электромагнитных процессов. Среди 4 типов взаимодействий ( электромагнитных, гравитационных, сильных и слабых), существовавших в природе, электромагнитные занимают первое место по широте и разнообразию проявлений. Это связано с тем, что все тела построены из электрически заряженных частиц противоположенных знаков, взаимодействие между которыми, с одной стороны, на много порядков интенсивнее гравитационных и слабых, а с другой – являются дальнодействующими в отличии от сильных взаимодействий, Строение атомных оболочек, сцепление атомов в молекулы (хим. Силы) и образование конденсированного вещества определяются электромагнитным взаимодействием.
Цель Реферата в том, чтобы показать , что человечество не мыслит своё существование на Земле без электричества.
Историческая справка. Простейшие электрические и магнитные явления известны ещё с глубокой древности. Были найдены минералы, притягивающие кусочки железа, а также обнаружено, что янтарь( от греческого электрон, отсюда термин электричества), потертый о шерсть, притягивает легкие предметы (электризация трением). Однако лишь в 1600 У. Гильберт впервые установил различия между электрическими и магнитными явлениями, Он открыл существование магнитных полюсов и неотделимость их друг от друга, а также установил, что земной шар – гигантский магнит.
В 17 – 1-й пол. 18 вв. проводились многочисленные опыты с наэлектризованными телами, были построены первые электростатические машины, основанные на электризации тернием, установлено существование электрических зарядов двух родов (Ш. Дюфе), обнаружена электропроводность металлов (англ. Ученый С. Грей). С изобретением первого конденсатора – лейденские банки (1745) – появилась возможность накапливать большие электрические заряды. В 1747-53 Б. Франклин изложил первую последовательную теорию электрических явлений, окончательно установил электрическую природу молнии и изобрел молниеотвод.
Во 2-й пол. 18 в. Началось количественное изучение электрических и магнитных явлений, Появились первые измерительные приборы – электроскопы различных конструкций, электрометры. Г. Кавендиш (1773) и Ш. Кулон (1785) экспериментально установили закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов ( работы Кавендиша были опубликованы лишь в 1879). Этот основой закон электростатики (Кулона закон) впервые позволил создать метод измерение электрических зарядов по силам взаимодействия между ними, Кулон установил также закон взаимодействия между полюсами длинных магнитов и ввёл понятие о магнитных зарядах, сосредоточенных на концах магнитов.
Следующий этап в развитии науки об электричестве связан с открытием в кон. 18 в. Л. Гальвани «животного электричества» и работами А. Вольты, который правильно истолковал опыты Гальвани присутствием в замкнутой цепи 2 разнородных металлов в жидкости и изобрел первый источник электрического тока – гальванический элемент(вольтов столб 1800), создающий непрерывный(постоянный) ток в течение длительного времени, В 1802 В.В. Петров, построив гальванический элемент значительно большей мощности, открыл электрическую дугу, исследовал её свойства и указал на возможность применения её для освещения, а также для плавления и сварки металлов. Г. Дэви электролизом водных растворов щелочей получил (1807) неизвестные ранее металлы – натрий и калий. Дж. П. Джоуль установил (1841), что количество теплоты, выделяемой в проводнике электрическим током, пропорциональна квадрату силы тока; этот закон был обоснован (1842) точными экспериментами Э. Х. Ленца (закон Джоуля – Ленца). Г.Ом установил (1826) количество зависимости электрического тока от напряжения в цепи. К. Ф. Гаусс сформулировал (1830) основную теорему электростатики (теорема Гаусса).
Наиболее фундаментальное открытие было сделано Х. Эрстедом в 1820; он обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку – явление, свидетельствовавшее о связи между электричеством и магнетизмом. Вслед за этим в том же году А. М. Ампер установил закон взаимодействия электрических токов(закон Ампера) Он показал также, что свойства постоянных магнитов могут быть объяснены на основе предположения о том, что в молекулах намагниченных тел циркулируют постоянные электрические токи(молекулярные токи). Т. О., согласно Амперу, все магнитные явления сводятся к взаимодействиям токов, магнитных же зарядов не существует. Со времени открытий Эрстеда и Ампера учение о магнетизме сделалось составной частью учений об электричестве
Со 2-й четв. 19 в. Началось быстрое проникновение электричества в технику. В 20-х гг. появились первые электромагниты. Одним из первых применений электричества был телеграфный аппарат, в 30 - 40-х гг. построены электродвигатели и генераторы тока, а в 40-х гг. – электрические осветительные устройства и т. д. Практическое применения электричества в дальнейшем всё более возрастало, что в свою очередь оказало существенное влияние на учение об электричестве.
В 30 – 40-х гг. 19 в. В развитие науки об электричестве внёс большой вклад М.
Фарадей- творец общего учения об электромагнитных явлениях, в в котором все электрические и магнитные явления рассматриваются с единой точки зрения. С помощью опытов он доказал, что действие электрических зарядов и токов не зависят от способа их получения [до Фарадея»обыкновенное» (полученное при электризации трением), атмосферное, «гальваническое», магнитное, термоэлектрическое, «животное» и др. виды электричества]. В 1831 Фарадей открыл индукцию электромагнитную – возбуждения электрического тока в контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Это явление (наблюдавшееся в 1832 также Дж. Генри) составляет фундамент электротехники. В 1833-34 Фарадей установил законы электролиза; эти его работы положили начало электрохимии. В дальнейшем он, пытаясь найти взаимосвязь электрических и магнитных явлений с оптическими, открыл поляризацию диэлектриков (1837), явления парамагнетизма и диамагнетизма (1845), магнитное вращение плоскости поляризации света (1845) и др.
Фарадей впервые ввёл представление об электрических и магнитных полях. Он отрицал концепцию дальнодействия, сторонники которой считали, что тела непосредственно (через пустоту) на расстояние действуют друг на друга. Согласно идеям Фарадея, взаимодействия между зарядами и токами осуществляется посредством промежуточных агентов: заряды и токи создают в окружающем пространстве электрические или магнитные поля, с помощью которых взаимодействие передается от точки к точке (концепция близкодействия). В основе его представлений об электрических и магнитных полях лежало понятие силовых линий, которые он рассматривал, как механические образования в гипотетической среде – эфире, подобные растянутым упругим нитям или шнурам.
Идеи Фарадея о реальности электромагнитного поля не сразу получили признание, Первая математическая формулировка законов электромагнитной индукции была дана Ф Нейманом в 1845 на языке концепции дальнодействия. Им же были введены важные понятия коэффициентов само- и взаимодукции токов. Значение этих понятий полностью раскрылось позднее, когда У. Томсон ( лорд Кельвин) развил (1853) теории электрических колебаний в контуре, состоящем из конденсатора (электроёмкость) и катушки (индуктивность.
Большое значения для развития учения об электричестве имело создание новых приборов и методов электрических измерений, а также единая система электрических и магнитных единиц измерений,, созданная Гауссом и В. Вебером (система единиц гаусса). В 1846 Вебер указал на связь силы тока с плотностью электрических зарядов в проводнике и скоростью их упорядочного перемещения. Он установил также закон взаимодействия движущихся точечных зарядов, который содержал новую универсальную электродинамическую постоянную, представляющею собой отношение электростатических и электромагнитных единиц заряда и имеющею размерность скорости. При экспериментальном определении ( Вебер и Ф. Кольрауш, 1856) этой постоянной было получено значение, близкое к скорости света; это явилось определенным указанием на связь электромагнитных явлений с оптическими.
В 1861 – 73 учение об электричестве получило своё развитие и завершение в работах Дж. К. Максвелла. Опираясь на эмпирические законы электромагнитных явлений ,и введя гипотезу о порождение магнитного поля переменным электрическим полем, Максвелл сформулировал фундаментальные уравнения классической электродинамики, названные его именем. При этом он, подобно Фарадею, рассматривал электромагнитные явления как некоторую форму механических процессов в эфире. Главное новое следствие, вытекающее из этих уравнений,- существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Уравнения Максвелла легли в основу электромагнитной теории света. Решающее подтверждение теория Максвелла нашла в 1886-89, когда Г. Герц экспериментально установил существование электромагнитных волн. После его открытия были предприняты попытки установить связь с помощью электромагнитных волн, завершившиеся созданием радио, и начались интенсивные исследования в области радиотехники.
В конце 19- начале 20 вв. начался новый этап в развитии теории электричества. Исследования электрических разрядов увенчались открытием Дж. Дж. Томсоном дискретности электрических зарядов. В 1897 он измерил отношение заряда электрона к его массе, а в 1898 определил абсолютную величину заряда электрона. Х. Лоренц, опираясь на открытия Томсона и выводы молекулярнокинетической теории, заложил основы электронной теории строения вещества ( уравнения Лоренца –Максвелла). В классической электронной теории вещество рассматривается как совокупность электрических заряженных частиц, движение которых подчинено законом классической механике. Уравнение Максвелла получаются из уравнений электронной теории статическим усреднением.
Попытки применение законов классической электродинамики к исследованию электромагнитных процессов в движущихся средах натолкнулись на существенные трудности. Стремясь разрешить их, А. Эйнштейн пришел (1905) к теории относительности. Эта теория окончательно опровергла идею существования эфира, наделённого механическими свойствами. После создания теории относительности стало очевидно, что законы электродинамики не могут быть сведены к законам классической механики.
На малых пространственно-временных интервалах становятся существенными квантовые свойства электромагнитного поля, не учитываемые классической теорией электричества. Квантовая теория электромагнитных процессов – квантовая электродинамика – была создана во 2-й четв. 20 века. Квантовая теория вещества и поля уже выходит за пределы учения об электричестве, изучает более фундаментальные проблемы, касающиеся законов движения элементарных частиц и их строения.
С открытием новых фактов и создание новых теорий значение классического учения об электричестве не уменьшилось, были определены лишь границы применимости классической электродинамики. В этих пределах уравнения Максвелла и классическая электронная теория сохраняют силу, являясь фундаментом современной теории электричества. Классическая электродинамика составляет основу большинства разделов электротехники, радиотехники, электроники и оптики (исключение составляет квантовая электроника). С помощью её уравнений было решено огромное число задач теоретического и прикладного характера. В частности, многочисленные проблемы поведения плазмы в лабораторных условиях и в космосе решаются с помощью уравнений Максвелла.
ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ТЕЛ. СТРОЕНИЕ АТОМА ЛЕГЕНДА ОБ ОТКРЫТИИ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ
Древние греки очень любили украшения и мелкие поделки изянтаря,названного ими за его цвет и блеск«электрон» -что значит «солнечный камень». Отсюда произошло, правда много позже, и самое словоэлектричество.
Способность янтаря электризоваться была известна давно. Впервые исследованием этого явления занялся знаменитый философ древности Фалес Милетский. Вот как об этом рассказывает легенда.
Дочь Фалеса пряла шерсть янтарным веретеном, изделием финикийских мастеров. Как-то, уронив веретено в воду, девушка стала обтирать его краем своего шерстяного хитона и заметила, что к веретену пристало несколько шерстинок. Думая, что они прилипли к веретену, потому что оно все еще влажно, она принялась вытирать его еще сильнее. И что же? Шерстинок налипало тем больше, чем сильнее натиралось веретено. Девушка обратилась за разъяснением этого явления к отцу. Фалес понял, что причина в веществе, из которого сделано веретено, и в первый же раз, как к пристани Милета подошел корабль финикийских купцов, он накупил различных янтарных изделий и убедился, что все они, будучи натерты шерстяной материей, притягивают легкие предметы, подобно тому, как магнит притягивает железо.
Получение и обнаружение электрических зарядов.Вы можете повторить опыт дочери Фалеса Милетского. Янтарные изделия для этого иметь не обязательно — воспользуйтесь любым стеклянным или пластмассовым предметом.
Потрите, например, пластмассовую расческу о газету. Поднесите ее к соринкам, шерстинкам, маленьким кусочкам бумаги. Какое явление вы наблюдаете? Как оно называется? Отличается ли эта расческа чем-нибудь от той, которую не натирали?
Наличие электрического заряда на расческе можно проверить с помощью следующих самодельных приборов:
1. Соберите из двух деревянных палочек, дощечки и пластилина штатив, подобный тому, который показан на рисунке 81. Чувствительной частью прибора, обнаруживающего наличие электрического заряда, может служить легкая бумажная бабочка, которую надо подвесить на шелковой нити к штативу.
Натрите стеклянный или пластмассовый предмет газетой или шелковой материей. Поднесите его к бабочке. Пронаблюдайте, как бабочка притянется к наэлектризованному предмету.
Вырежьте из картона фигурку «человечка» и приколите кнопкой к ее плечу подвижную, вырезанную из тонкой папиросной бумаги руку. Расширьте немного прокол, чтобы рука могла свободно вращаться. Укрепите «человечка» на подставке или на нити. Подносите к нему наэлектризованные тела. Человечек будет вытягивать руку, указывая ею на электрический заряд (рис.1).
•3. Вырежьте из фольги фигурку «человечка». Можно для этого использовать также тонкий картон, оклеенный фольгой. В этом случае удобнее вначале оклеить картон, а потом вырезать из него ножницами фигурку. Подвесьте ее на шелковой нитке, руки вставьте в прорезь, сделанную у плеча (руки изготовьте из того же материала, что и фигурку).
Прикоснувшись к «человечку» наэлектризованным телом, вы увидите, как он разведет руки в стороны (рис. 2). Дотронувшись до «человечка» пальцем, убедитесь, что он опускает руки. Объясните наблюдаемое явление.
Как называется прибор, модель которого вы сделали?
ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ТРЕНИЕМ НА ПРОИЗВОДСТВЕ И В БЫТУ
Технический прогресс не только расширяет возможности человека, его власть над природой, но одновременно ставит множество новых проблем. Так, например, сегодня в различных отраслях промышленности используются сильные электрические поля, широко внедряется в быт синтетика, а синтетические материалы обладают способностью накапливать электрические заряды. И приходится решать проблемы, связанные с влиянием электрических полей на технологические процессы, на организм человека.
Вот несколько примеров.
На одном из целлюлозно-бумажных комбинатов некоторое время не могли установить причину частых обрывов быстро движущейся бумажной ленты. Были приглашены ученые. Они выяснили, что причина заключалась в электризации ленты при трении ее о валки.
Такая «самопроизвольная» электризация весьма опасна, так как может стать причиной пожара.
При трении о воздух электризуется самолет. Поэтому после посадки к самолету нельзя сразу же приставлять металлический трап: может возникнуть разряд, который вызовет пожар. Сначала самолет «разряжают»: опускают на землю металлический трос, соединенный с обшивкой самолета, и разряд происходит между землей и концом троса.
Разряды электричества возникают и тогда, когда человек ходит по полимерным покрытиям полов современной квартиры, синтетическим коврам или снимает с себя нейлоновую одежду.
Есть ли способы и средства для борьбы с накоплением электрических зарядов? Безусловно, есть.
На производстве — это тщательное заземление станков, машин, применение токопроводящих пластиков для полов, увлажнение воздуха, использование различного рода «нейтрализаторов» (по условиям производства — индукционных, электрических, радиоизотопных, электроаэрозольных и др.).
В домашних условиях устранить заряды статического электричества довольно легко, повышая относительную влажность воздуха квартиры до 60—70% (для этого можно использовать электрические увлажнители). Электризация устраняется, если к воде, которой протирают пластиковые полы, добавить гидрофильные вещества, например хлорид кальция, а также если протирать электризующиеся поверхности глицерином. Химическая промышленность сейчас выпускает препарат «Антистатик», который снимает электрический заряд с синтетической одежды.
При соприкосновении наэлектризованного тела с заземленной поверхностью происходит электрический разряд. Влияние его на организм человека также изучается.
В результате исследований, проведенных в Ленинграде, было установлено, что разрядный ток силой до 20 мкА не вызывает заметных физиологических сдвигов в организме человека даже при длительном воздействии. Следовательно, разряды, возникающие в быту и при большинстве технологических процессов в результате соприкосновения наэлектризованного человеческого тела с заземленной поверхностью, не опасны для здоровья.
Следует отметить, что электризация синтетического белья, возникающая во время носки, оказывается даже полезной. Например, известно, что поливинилхлоридное белье помогает при лечении некоторых болезней.
Сильные электрические поля используются в медицине при создании электроаэрозолей. Они представляют собой лекарственные или другие биологические вещества, распыленные в электростатическом поле и обладающие целым рядом свойств, выгодно отличающих их от обычных аэрозолей: капельки электроаэрозоля сильнее измельчаются, меньше слипаются, при определенных условиях они глубже проникают в легкие (вплоть до мельчайших легочных ячеек — альвеол), создавая в них запасы постепенно всасывающихся лекарственных или биологически активных веществ.
ОПЫТ ИОФФЕ И МИЛЛИКЕНА
В начале XX в. советский физик Абрам Федорович Иоффе и американский ученый Роберт Милликен (независимо друг от друга) проделали опыты, доказавшие существование частиц, имеющих наименьший электрический заряд, и позволившие измерить этот заряд.
В чем заключался опыт, вам известно из учебника. Мы хотим рассказать немного о жизни и деятельности этих физиков и процитировать отрывки из их книг, где они рассказывают о своем эксперименте.
Абрам Федорович Иоффе родился в 1880 г. на Украине в г. Ромны. Окончил Петербургский технологический институт в 1902 г. и уехал в Германию продолжать образование. Он учился в Мюнхенском университете, который окончил в 1905 г. Его учителем был знаменитый В. Рентген. В 1906 г. Иоффе вернулся в Россию с дипломом доктора философских наук Мюнхенского университета и начал научно-педагогическую деятельность в Петербургском политехническом институте. В 1915 г. ему присвоили степень доктора Петербургского университета за исследование упругих и электрических свойств кварца.
После Октябрьской революции по его предложению и под его руководством во вновь созданном Государственном институте рентгенологии и рентгенографии организуется физико-технический отдел. Обстановка, в которой пришлось вести работу, была сложной: шла гражданская война; молодое Советское государство находилось в кольце врагов, которых поддерживали капиталисты всего мира; голод; разруха; старые научные кадры не все приняли революцию, часть уехала за границу; научные связи с другими странами почти полностью прерваны. И в это время А. Ф. Иоффе при содействии А. В. Луначарского создал в Петрограде научное учреждение, которое стало родоначальником большого числа научно-исследовательских институтов нашей страны.
В 1921 г. физико-технический отдел Государственного института рентгенологии и рентгенографии выделился в самостоятельный Физико-технический институт, руководителем которого стал А. Ф. Иоффе. А впоследствии из этого института выделились и стали самостоятельными научными учреждениями Украинский физико-технический институт, Уральский физико-технический институт, Институт химической физики и многие другие.
Видные ученые нашей страны И. В. Курчатов, П. Л. Капица, Н. Н. Семенов, Л. Д. Ландау, Б. П. Константинов, И. К. Кикоин и многие другие начинали свою научную работу под руководством А. Ф. Иоффе, считают себя его учениками и всегда с большой теплотой и любовью вспоминают о нем.
«Абрам Федорович Иоффе с первых дней революции встал на сторону Советской власти, он стал одним из выдающихся руководителей фронта физического образования и науки. Огромный талант ученого, педагога, организатора, а также доброжелательное отношение к людям, личное обаяние, преданность общественным интересам — все это определило неоценимый вклад А. Ф. Иоффе в развитие советской физики. Многие мои товарищи — физики, как и я сам,— считают и называют академика Иоффе отцом советской науки, и это мнение, я верю, будет общепризнанным в истории советской науки»,— писал академик Б. П. Константинов.
Научная деятельность Иоффе была широка и многообразна. Он был прекрасным экспериментатором, занимался вопросами физики полупроводников, много внимания уделял внедрению результатов научных исследований, принимал участие в разработке военной техники, в частности им был предложен принцип радиолокации для обнаружения неприятельских самолетов, интересовали его и возможности использования достижений науки в сельском хозяйстве.
Большая научная и организаторская деятельность А. Ф. Иоффе получила широкое признание в стране. Он был избран действительным членом Академии наук СССР, ему было присвоено звание Героя Социалистического Труда, звание заслуженного деятеля науки СССР, он был удостоен Государственной премии первой степени, награжден двумя орденами Ленина. Многие зарубежные академии и университеты избрали его своим почетным членом.
А. Ф. Иоффе скончался 14 октября 1960 г., не дожив две недели до своего восьмидесятилетия.
Роберт Милликен родился в 1868 г. в штате Иллинойс в семье священника. Детство его прошло в маленьком городке Маквокета. В 1893 г. он поступил в Колумбийский университет, затем учился в Германии.
В 28 лет его пригласили преподавать в Чикагский университет. Вначале он занимался почти исключительно педагогической работой и только в сорок лет начал научные исследования, принесшие ему мировую славу.
«Одним из первых в ряду блестящих экспериментаторов, основавших и обосновавших новую физику, следует назвать Роберта Милликена... Характерной чертой исследований Милликена является их совершенно исключительная точность. Милликен во многих случаях повторял опыты, придуманные и даже выполненные другими лицами, но делал их с такой тщательностью и осмотрительностью, что его результаты становились бесспорной и неизбежной базой теоретического построения. Основная заслуга Милликена — измерение величины заряда электронаеи постоянной теории квантов А»,— писал об этом ученом академик С. И. Вавилов.
За свои экспериментальные исследования Р. Милликен в 1924 г. был удостоен Нобелевской премии.
Умер Милликен в 1953 г.
Как же удалось измерить заряд отдельного электрона?
Вот что пишут о своих опытах А. Ф. Иоффе и Р. Милликен.
А. Ф. Иоффе: «... В камереАсоздавались мелкие пылинки цинка, которые через узкое отверстие падали в пространство между двумя заряженными пластинками . Заряженная пылинка падает вниз, испытывая, как и всякое тело, силу тяжести. Но если она заряжена, на нее действуют и электрические силы в зависимости от знака заряда по направлению снизу вверх или сверху вниз. Подобрав электрический заряд пластинок, можно было остановить каждую падающую частичку так, чтобы она неподвижно повисла в воздухе. Мне удавалось целый день держать частичку в таком состоянии. Когда же на нее падал пучок ультрафиолетового света, он уменьшал заряд. Это сразу можно было заметить по тому, что с изменением заряда электрическая сила уменьшалась, тогда как сила тяжести не изменялась: равновесие нарушалось, частичка начинала падать.
Приходилось подбирать другой заряд пластинок, чтобы снова остановить цинковую пылинку. И каждый раз мы имели возможность измерить ее заряд...
...Можно было снять 1, 2, 3, 4, 5, 6,1...до 50 зарядов, но это было всегда целое число электронов. Оказалось, что какое бы вещество мы ни взяли, будь то цинк, масло, ртуть, будет ли это действие света, или нагревание, или другое воздействие,— всякий раз, как тело теряет заряд, оно всегда теряет по целому электрону. Значит, можно было заключить, что в природе существуют только целые электроны».
Р. Милликен: «...При помощи обыкновенного распылителя в камеруСвпускалась струя масла. Воздух, посредством которого вдувалась струя, освобождался сперва от пыли путем пропускания через трубку со стеклянной ватой. Капельки масла, составлявшие струю, были весьма малы; радиус большинства их был порядка 0,001 мм. Эти капельки медленно падали в камере С, иногда некоторые из них проходили сквозь маленькое отверстиерв центре круглой латунной пластинкиМдиаметром в 22 см, состав-лявшей одну из пластин воздушного конденсатора. Другая пластина —N—была укреплена на 16 мм ниже при помощи трех эбонитовых стоека.Пластины эти могли заряжаться (одна положительно, а другая отрицательно) при помощи переключателя 5, соединявшего их с полюсами 10 000-вольтовой аккумуляторной батареиВ.Капельки масла, появлявшиеся вблизир,освещались сильным пучком света, проходившего сквозь два окошечка, расположенных в эбонитовом кольце одно против другого. Если смотреть через третье окошечкоО,направленное к читателю, капля представляется яркой звездочкой на темном фоне. Капли, проходившие через отверстиер,оказывались обыкновенно сильно заряженными вследствие трения при вдувании струи...
...Капли, имеющие заряды одного знака с верхней пластинкой, а также имеющие слишком слабые заряды противоположного знака, быстро падают. Те же капли, которые имеют слишком много зарядов противоположного знака, быстро притягиваются верхней пластинкой, преодолевая силу тяжести. В результате через 7 или 8 мин поле зрения вполне проясняется, и в нем остается только сравнительно небольшое число капель, а именно те, которые имеют заряд, как раз достаточный, чтобы поддерживаться электрическим полем. Эти капли представляются отчетливо видимыми яркими точками. Я несколько раз получал только одну такую звездочку во всем поле, и она держалась там около минуты...
...Во всех случаях, без всякого исключения, оказывалось, что как первоначальный заряд, возникший на капле вследствие трения, так и многочисленные заряды, захваченные каплей у ионов, равны точным кратным наименьшего заряда, захваченного из воздуха. Некоторые из этих капель не имели первоначально никакого заряда, а затем захватывали один, два, три, четыре, пять, шесть или семь элементарных зарядов или электронов. Другие капли первоначально имели семь или восемь, иногда двадцать, иногда пятьдесят, иногда сто, иногда сто пятьдесят элементарных единиц и захватывали в каждом случае один или несколько десятков элементарных зарядов в продолжение наблюдений. Таким образом, наблюдались капли со всевозможным числом электронов между одним и ста пятьюдесятью... Когда число их не превышает пятидесяти, то ошибка тут так же невозможна, как и при счете собственных пальцев. Однако при подсчете электронов в заряде, в котором их содержится свыше ста или двухсот, нельзя быть уверенным в отсутствии ошибки... Но совершенно невозможно себе представить, чтобы большие заряды, как, например, те, с которыми мы имеем дело в технических применениях электричества, были построены, по существу, иначе, чем те малые заряды, которые мы можем сосчитать...
...Где бы ни встречался электрический заряд — на изоляторах или на проводниках, в электролитах или металлах,— везде он обладает резко выраженным зернистым строением. Он состоит из целого числа единиц электричества (электронов), которые все одинаковы. В электростатических явлениях эти электроны рассеяны по поверхности заряженного тела, а в электрическом токе они движутся вдоль проводника».
ОПЫТ РЕЗЕРФОРДА
Суть опыта Резерфорда, как вы знаете, заключалась в следующем. На пути узкого пучка альфа-частиц, испускаемых радиоактивным веществом, помещалась очень тонкая металлическая фольга из золота. Регистрировались альфа-частицы с помощью экрана из светящегося состава (сернистый цинк), расположенного вокруг мишени.
Чего можно было бы ожидать в результате попадания альфа-частиц в атомы золота, если бы атомы золота были сплошными шариками? Станут ли они расталкивать атомы золота, пробиваясь между ними, или же будут отскакивать от них в разные стороны?
Если альфа-частицам нужно будет как-то пробираться через гущу атомов золота, то им, естественно, придется претерпевать множество столкновений с ними, сотни и тысячи раз менять свое направление. И как следствие альфа-частицы будут рассеиваться, т. е. вылетать из золотого листка по самым различным направлениям .
На деле оказалось совсем не так. Подавляющая часть альфа-частиц проходила сквозь металл, почти не отклоняясь от прямолинейного пути, и лишь немногие отклонялись на большие углы, а иногда даже отскакивали назад .
Вспоминая через 20 лет об этих своих первых опытах, Резерфорд говорил: «Это было, пожалуй, самое невероятное явление, которое когда-либо встречалось в моей жизни. Оно было почти таким же невероятным, как если бы вы обстреливали 15-дюймовыми снарядами лист самой тонкой бумаги,аони отскакивали бы обратно и попадали в вас. После размышления над этим обстоятельством я убедился, что это обратное рассеивание могло быть результатом только прямого попадания. Но когда я произвел нужные расчеты, то увидел, что полученный результат по величине тоже невероятен, за исключением того единственного случая, когда вы имеете дело с системой, в которой большая часть массы атома сконцентрирована в ничтожно малом ядре».
Электрометр
Электрометр— прибор, позволяющий измерить электрический заряд, впервые был построен русским академиком Г. В. Рихманом, другом М. В. Ломоносова.
Об устройстве этого электрометра Рихман писал: «Указатель «электричества» (рис. 88) представляет собой вертикально расположенную металлическую линейку длиной около 52 см и массой около 615 г, к которой подводится электрический заряд от электрической машины. К линейке прикрепляется льняная нить длиной около 61 см и массой около 45 мг. Угол отклонения нити фактически позволяет измерить электрическую силу».
Громоотвод
1780 г. Небольшой городок Сент-Оморе во Франции. Один из жителей установил на своем доме громоотвод. Его соседи были так напуганы и возмущены этим фактом, что возбудили судебное дело против владельца громоотвода. Процесс длился около четырех лет и наделал много шума. Интересно отметить, что в качестве защитника на суде выступал М. Робеспьер, в то время еще молодой адвокат. Одним из экспертов со стороны истца был Марат, известный ученый и публицист, а впоследствии выдающийся деятель французской революции. Марат считал громоотвод опасной затеей и был против его установки. После долгой борьбы М. Робеспьер выиграл процесс.
ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКАОПЫТЫ ГАЛЬВАНИ
В конце 1780 г. профессор анатомии в Болонье Л. Гальвани занимался в своей лаборатории изучением нервной системы отпрепарированных лягушек.
Совершенно случайно получилось так, что в той же комнате работал его приятель-физик, производивший опыты с электричеством. Одну из препарированных лягушек Гальвани положил на стол, на котором стояла электрическая машина.
В это время в комнату вошла жена Гальваии. Ее взору предстала жуткая картина: при искрах в электрической машине лапки мертвой лягушки, прикасавшиеся к железному предмету (скальпелю), дергались. Жена Гальвани с ужасом указала на это мужу.
Столкнувшись с необъясненным явлением, Гальвани счел за лучшее детально исследовать его на опыте. «Я считал, что сделаю нечто ценное,— писал Гальвани,— если кратко и точно изложу историю моих открытий в таком порядке и расположении, в каком мне их доставил отчасти случай и счастливая судьба, отчасти трудолюбие и прилежание. Я сделаю то, чтобы дать как бы факел в руки тех, кто пожелает пойти по тому же пути исследования».
Последуем же за Гальвани в его опытах.
«Я разрезал лягушку и положил ее без всякого умысла на стол, где на некотором расстоянии стояла электрическая машина. Случайно один из моих ассистентов дотронулся до нерва лягушки скальпелем и в тот же момент мускулы лапки содрогнулись как бы в конвульсиях.
Другой ассистент, обыкновенно помогавший мне в опытах по электричеству, заметил, что явление это происходило лишь тогда, когда из машины извлекалась искра.
Пораженный новым явлением, я тотчас же обратил на него внимание, хотя замышлял в этот момент совсем иное и был всецело поглощен своими мыслями. Меня охватила неимоверная жажда и рвение исследовать это и пролить свет на то, что было под этим скрыто».
Гальвани решил, что все дело в электрических искрах. Чтобы получить более сильный эффект, он во время грозы вывесил набалконнесколько отпрепарированных лягушачьих лапок намедных проволочках.Однако молнии -гигантские электрические разряды никак не повлияли на поведение отпрепарированных лягушек. Что не удалось молнии, сделал ветер. При порывах ветра лягушачьи лапки раскачивались и иногда касались железных прутьев балкона. Как только это случалось, лапки дергались. Гальвани, однако, отнес явление все-таки на счет грозовых электрических разрядов.
«После успешных опытов во время грозы я пожелал,— пишет Гальвани,— обнаружить действие атмосферного электричества в ясную погоду. Поводом для этого послужило наблюдение, сделанное мною над заготовленными лапками лягушки, которые, зацепленные медным крючком, были подвешены на железную решетку забора моего сада: лапки содрогались не только во время грозы, но и тогда, когда небо было совершенно ясно. Подозревая, что эти явления происходят вследствие изменения атмосферы в течение дня, я предпринял опыты.
Когда я производил опыт под открытым небом, я был склонен принять теорию, что сокращения возникают вследствие атмосферного электричества, которое, постепенно проникнув в животное и собравшись в нем, неожиданно разряжалось, когда крючок приходил в соприкосновение с железными перилами.
Но, однако, в продолжение ряда дней в различные часы я наблюдал подвешенную на заборе лапку, но не обнаружил каких-либо движений в ее мускулах.
Когда же я перенес лягушку в комнату, положил на железную дощечку и прижал медный крючок к дощечке, те же самые спазматические содрогания были налицо.
Так легко обманываем мы себя при опытах и думаем, что действительно видели то, что желаем видеть.
Я производил опыт с разными металлами в различные часы дня в разных местах — результат был один и тот же, разница была в том, что содрогания были более сильные при одних металлах, чем при других.
Затем я испытал различные тела, которые не являются проводником электричества, например стекло, смолу, резину, камень и сухое дерево.
Явлений не было.
Это было несколько неожиданно и заставило меня предположить, что электричество находится внутри животного...»
Эта длинная цитата — интересная иллюстрация творческого метода Гальвани. Он провел, по сути дела, все эксперименты, чтобы получить правильные выводы. Отдадим дань его умению ставить эксперименты. Он показал, что для эффекта необходимыметаллы,что при наличии тел, не являющихся проводниками электричества, никакого эффекта нет, наконец, он показал даже, чторазные металлыдаютразнуюстепень эффекта.
Но правильного вывода Гальвани не сумел сделать. Будучи врачом, а не физиком, он видел причину в так называемом «животном электричестве». Свою теорию Гальвани подтверждал ссылкой на известные случаи разрядов, которые способны производить некоторые живые существа, например «электрические рыбы».
ВОЛЬТОВ СТОЛБ
Итальянский физик Алессандро Вольта подробно ознакомился с трактатом Гальвани «Об электрических силах в мускуле» и был потрясен. Он перечитал трактат и нашел в нем то, что ускользнуло от внимания самого автора,— упоминание о том, что эффект содрогания лапок наблюдался лишь тогда, когда лапок касались двумяразличными металлами.Вольта решил поставить видоизмененный опыт, но не на лягушке, а на самом себе.
«Признаюсь,— писал он,— я с неверием и очень малой надеждой на успех приступил к первым опытам: такими невероятными казались они мне, такими далекими от всего, что нам доселе известно было об электричестве...»
Вольта брал две монеты, обязательно из разных метал- ] лов, и... клал их себе в рот — одну на язык, другую под язык. ; Когда он соединял монеты про- | волокой, то чувствовал солоноватый вкус. Из опытов, проведенных раньше, Вольта знал, что такой вкус вызывается электричеством.
Поставив друг на друга свыше ста металлических (цинк и серебро) кружков, разделенных бумагой, смоченной соленой водой, Вольта получил довольно мощный источник электричества —Вольтов столб.Присоединив к верхнему и нижнему концам столба проводники и взяв их в рот, Вольта убедился, что источник действует продолжительное время.
Вслед за этим Вольта изобрелэлектрическую батарею,состоявшую из многих последовательно соединенных цинковых и медных пластин, опущенных попарно в сосуды с разбавленной кислотой. Этот источник электрической энергии по тем временам был достаточно мощным: с его помощью можно было привести в действие электрический звонок. Он получил название «короны сосудов».
20 марта 1800 г. Вольта сообщил о своих исследованиях Лондонскому королевскому обществу (так называлась Английская академия наук). Можно считать, что с этого дня источники постоянного электрического тока — Вольтов столб и батарея -стали известны многим физикам и нашли широкое применение.
Гальванический элемент.Любителям научных курьезов можно сообщить рецепт изготовления гальванического элемента из лимона, описанный еще в 1909 г. в журнале «Природа и люди» (№ 28). Острым ножом разрежьте лимон, стараясь не снимать и не разрывать тонких перегородок, которые делят лимон на гнезда. Затем в каждое гнездо воткните попеременно по кусочку (длиной 2 см) медной и цинковой проволоки и соедините их концы последовательно тонкой проволокой. У вас получится маленькая гальваническая батарея , дающая ток, хотя и очень слабый, но оказывающий некоторое физиологическое действие.
Простейший гальванический элемент можно устроить и так. Налейте в стакан крепкий раствор уксуса, нашатыря или поваренной соли и опустите в него медную и цинковую пластинки, причем они не должны касаться друг друга. Можно использовать медную монету и цинковую пластинку, вырезанную из корпуса старой батарейки. Между этими электродами надо положить кусок промокательной бумаги, смоченной раствором поваренной соли.
Проверить наличие тока можно при помощи чувствительного электроизмерительного прибора —гальванометра.
Один провод, идущий от гальванометра, подключите к цинковой пластинке, а вторым несколько раз притроньтесь к медной пластинке или монете — стрелка отклонится, что свидетельствует о наличии тока.
Модель гальванометра можно изготовить, используя электрический конструктор.
Возьмите подставку для магнитной стрелки. В прорези подставки установите бескаркасную катушку. На острие подставки укрепите шкалу гальванометра (шкалу вырежьте из листа бумаги и наклейте на картон) и установите магнитную стрелку. Бескаркасную катушку вместе с подставкой расположите так, чтобы под действием магнитного поля Земли стрелка находилась в плоскости витков катушки.
При пропускании по обмотке катушки электрического тока стрелка в зависимости от направления тока будет отклоняться' вправо или влево.
ИЗ ИСТОРИИ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЛАМПЫ
Мы видим ее всюду — у себя дома и в поезде, на улице и в трамвае, на заводе и в театре, в шахте и в самолете. Трудно перечислить все случаи применения этой лампы. Электрическое освещение стало для нас обычным. Однако было время — чуть более ста лет назад,— когда об электрическом свете, о «свете без огня», мечтали лишь ученые. Много труда затратили они, чтобы создать такую электрическую лампу, какой мы ее знаем теперь.
Большой вклад в дело создания «нового света» внесли наши соотечественники — русские электротехники прошлого века В. В. Петров, В. Н. Чиколев, П. Н. Яблочков, А. Н. Лодыгин и др.
Рассказ первый
Дуга Петрова
В начале XIX в. русский физик и электротехник Василий Владимирович Петров сделал открытие, которое позволило использовать электрическую энергию для освещения.
В книге, вышедшей в 1803 г., В. В. Петров так описал свое замечательное открытие:
«Если на стеклянную плитку или на скамеечку со стеклянными ножками будут положены два или три древесных угля и если потом металлическими изолированными направителями, сообщенными с обоими полюсами огромной батареи, приближать оные (т. е. угли) один к другому на расстояние от одной до трех линий (т. е. примерно от двух до шести миллиметров), то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее загораются и от которого темный покой довольно ясно освещен быть может».
Пламя имело форму дуги (. Поэтому явление получило названиеэлектрической дуги (дуги Петрова).
Ученый отмечает, что жар электрической дуги очень силен. В пламени дуги «сгорают» даже железные гвозди и медные пластинки. Это и не удивительно: теперь мы знаем, что температура в пламени дуги Петрова достигает 3500 °С.
Что же является причиной возникновения электрической дуги?
Вы знаете, что различные вещества по-разному проводят электрический ток, т. е. обладают различнымсопротивлением.
Чтобы зажечь электрическую дугу, угольные стержни сближают. В момент их соприкосновения в цепи начинает течь электрический ток. Причем в месте контакта углей ток встречает сопротивление значительно большее, чем в самих углях. Поэтому концы углей в месте контакта сильно разогреваются и начинают испускать свет. От разогретых до белого каления концов нагревается и окружающий их воздух. Кроме того, такие угли начинают выделять раскаленные газы. Теперь, если слегка раздвинуть угли, электрический ток, идущий через них, не прекратится: раскаленные газы между углями начинают проводить ток. Так между раздвинутыми углями возникает непрерывный ток — светящаяся электрическая дуга.
Изобретением В. В. Петрова заинтересовались очень многие. В самом деле, ведь им был открыт совершенно новый источник света! Электрическая дуга давала невиданно яркий, белый свет. Как заманчиво было использовать ее для освещения!
Однако осуществить эту мысль на практике оказалось не так легко. Дело в том, что для получения электрической дуги требуется большая сила тока, а существовавшие в то время источники электрического тока — батареи гальванических элементов -давали, как правило, слабый ток.
Было и другое затруднение. При горении дуги угольные стержни постепенно сгорают, и расстояние между ними увеличивается. Наконец наступает момент, когда дуга внезапно гаснет: электрический ток между углями прерывается. Таким образом, чтобы получить постоянное горение дуги, необходимо поддерживать одно и то же расстояние между углями, сдвигать их по мере сгорания.
Как это делать?
Сдвигать угли просто руками неудобно и невыгодно: для этого у каждой лампы должен постоянно находиться человек. Нужно придумать какие-то механизмы, которые автоматически поддерживали бы необходимое расстояние между углями. Изобретатели предлагали различные регуляторы «дуговых электрических фонарей» (так были названы новые лампы, в которых свет давала электрическая дуга). Однако все эти регуляторы были неудобны для практического применения, и дуговые электрические лампы мало где использовались. Только в отдельных случаях -на маяках, на каких-либо празднествах или в физической лаборатории ученого — можно было увидеть лампу нового света.
Лишь через 70 лет известный русский электротехник В. Н. Чи-колев построил удобное и четко действующее приспособление для автоматической регулировки угольных стержней дуговых ламп. Однако дуговые лампы и после этого не получили широкого распространения: лампа с механическим регулятором стоила очень дорого.
Рассказ второй
Русский свет
В 1876 г. в Лондоне на выставке точных физических приборов русский изобретатель Павел Николаевич Яблочков демонстрировал перед посетителями необыкновеннуюэлектрическую свечу.Похожая по форме на обычную стеариновую свечу, она горела ослепительно ярким светом. В том же году «свечи Яблочкова» появились на улицах ПарижаПомещенные в белые матовые шары, они давали яркий приятный свет. В короткое время чудесная свеча завоевала всеобщее признание. «Свечами Яблочкова» освещались лучшие гостиницы, улицы и парки крупнейших городов Европы.
Привыкшие к тусклому свету свечей и керосиновых ламп, люди прошлого века восхищались «свечами Яблочкова». Новый свет называли «русским светом», «северным светом». Газеты западноевропейских стран писали: «Свет приходит к нам с севера — из России», «Россия — родина света».
Что же представляет собой «свеча Яблочкова»? По существу, это та же дуговая лампа, но у нее нет никаких регуляторов. «Мое изобретение,— писал Яблочков,— состоит в совершенном удалении всякого механизма, обыкновенно встречающегося в электрических лампах...»
Задачу регулировки углей при горении лампы Яблочков решил гениально просто. Он поместил угли не противдруг друга,а рядом, на таком расстоянии, чтобы между ними при пропускании тока возникала дуга. Чтобы дуга горела только вверху, у концов угольные стержни были разделены слоем, не проводящим электричество, например слоем глины или гипса.
Такое устройство дуговой лампы действительно напоминает собой обыкновенную свечу . Для запала «свечи» применялась тонкая пластинка из материала, плохо проводящего электрический ток. Эта пластинка соединяла друг с другом верхние концы углей. При пропускании электрического тока через «свечу» пластинка сгорала и между концами углей возникала дуга. По мере сгорания углей изолирующий слой между ними постепенно испарялся. Угли же за время горения находились на одном и том же расстоянии друг от друга. Их не нужно было сдвигать ни вручную, ни с помощью каких-либо сложных приспособлений!
«Электрическая свеча Яблочкова», простая и дешевая, горела ярким ровным светом.
Знаменитый изобретатель неустанно работал над усовершенствованием своих «свечей». Изменяя химический состав изолирующей массы, Яблочков создавал лампы со светом различных оттенков. Он соединял несколько «свечей» так, что, когда гасла одна, автоматически загоралась другая. Он конструировал самые различные по силе света лампы.
Но это было не все. Совершенствуя свое изобретение, П. Н. Яблочков старался избавиться от одного существенного недостатка. Дело в том, что при работе на постоянном токе один уголь «свечи» сгорает вдвое быстрее, чем другой. Чтобы избежать неравномерного сгорания углей, Яблочков один из стержней делает более толстым. Однако это не так удобно и невыгодно. Изобретатель упорно ищет другое решение задачи. И находит его. Он использует для питания «свечей» не постоянный, а переменный ток. В этом случае оба угля сгорают равномерно. Таким образом, П. Н. Яблочков — первый человек, практически применив-1 ший переменный ток в электротехнике! До его работ считалось, | что переменный ток не годится для широкого практического 1 применения.
Кроме того, он решил задачу так называемого «дробления электрического света». Яблочков разработал такую схему соеди-1 нения дуговых лампвцепь, при которой один источник тока мог обслужить уже не одну, а большее число ламп. Это достигалось с помощью особыхиндукционных катушек,работающих по принципутрансформатора(устройства, понижающего и повышаю- I щего напряжение электрического тока).
Таким образом, П. Н. Яблочковым впервые был применен в электротехнике и принцип трансформации электрической энергии.
К 1880 г. «русский свет» освещал многие города мира.
В России «электрические свечи» освещали улицы Москвы, Петербурга, Нижнего Новгорода, Полтавы и других городов. >
Рассказ третий
Угольная лампа накаливания
В начале 70-х гг. XIX в. Александр Николаевич Лодыгин создал новые электрические лампы —лампы накаливания,те самые, которые уже к началу нашего века завоевали весь мир. Так, у «свечей Яблочкова», кроме старых соперников — газовых рожков,— появился новый.
«Свечи Яблочкова» не выдержали соперничества и очень скоро начали повсеместно гаснуть. И хотя в наши дни «электрическая свеча Яблочкова» является уже достоянием истории, мы не должны забывать, что именно работы русского изобретателя П. Н. Яблочкова дали электрическому свету путевку в жизнь. «Электрической свече» мы, бесспорно, обязаны тем, что удалось ввести электрический свет в повседневный обиход.
Уже давно,ссамого начала XIX в., было известно, что электрический ток, проходя по проводнику, нагревает его.
Если сила тока большая, то проводник нагреется до температуры белого каления и даже может расплавиться. Это действие электрического тока и было использовано изобретателями новых электрических ламп — ламп накаливания.
Однако изготовить электрические лампы накаливания, которые давали бы достаточно яркий свет и в то же время работали продолжительное время, оказалось делом нелегким. Основная причина этого заключалась в том, что тонкие металлические проволочки, как правило, очень быстро плавились, как только их разогревали до необходимой температуры. Кроме того, раскаленные металлические нити окислялись в воздухе ив силу этого быстро «перегорали».
Работая над конструированием ламп, электротехники пробовали изготовить нити накала из платины. Платина плавится только при температуре около 1750 °С и не окисляется, но этот материал был очень дорогим; в то же время при сильном нагревании платиновые нити все равно размягчались.
Многочисленные попытки сделать практически пригодную лампу накаливания долгое время оканчивались неудачей. И лишь в 1872—1873 гг. замечательный русский электротехник А. Н. Лодыгин создает первую удачную конструкцию новой электрической лампы.
Первая лампа накаливания Лодыгина была устроена так: в небольшой стеклянный шар впаяны две медные проволочки, соединенные с источником тока. Между ними закреплен тонкий угольный стержень. Как только через медные проволочки и угольный стержень пропускали электрический ток, стержень благодаря большому сопротивлению раскалялся и светился ярким светом. Чтобы он не сгорал быстро, из стеклянного шара откачивали воздух. Такие лампы горели недолго — 20—30 мин.
Однако уже в следующие два года А. Н. Лодыгин создает новые, улучшенные образцы электрических ламп накаливания , которые были способны гореть несколько часов.
Достоинства лампы накаливания по сравнению с дуговыми были очевидны. Лампы накаливания давали мягкий и яркий свет, потребляли мало электрической энергии, были просты и совершенно безопасны в использовании, сравнительно недороги и поэтому удобны для освещения жилых помещений.
В 1873 г. Лодыгин демонстрировал свои лампы в Петербурге. Лампами нового света была освещена одна из улиц русской столицы.
«Масса народа любовалась этим освещением, этим огнем с неба,— писал один из современников Лодыгина о его лампах.— Лодыгин первый вынес лампу накаливания из физического кабинета на улицу».
В этом же году в Технологическом институте Лодыгин показал, что его лампы могут применяться в самых различных условиях: и в сигнальных железнодорожных фонарях, и в электрических фонарях для подводных работ, и в фонарях для каменноугольных шахт и т.п. Через три года Электрический фонарь Лодыгина для подводных работ был применен при строительстве подводных частей моста через Неву. Каждый такой фонарь можно было очень легко зажечь и погасить отдельно от других.
Русская Академия наук в 1874 г. присудила Лодыгину за лампу накаливания Ломоносовскую премию. В решении по этому вопросу указывалось, что А. Н. Лодыгин сделал открытие, «обещающее произвести переворот в каждом вопросе об освещении».
Изобретение Лодыгина действительно произвело переворот. Именно благодаря его работам в каждом уголке мира засияла электрическая лампа.
В 1890 г. А. Н. Лодыгин предложил изготовлять лампы накаливания с металлическими нитями из тугоплавких металлов — вольфрама, молибдена, осмия, иридия, палладия. В 1900 г. лампы Лодыгина с металлической нитью накаливания демонстрировались на Всемирной выставке.
Практическое применение лампы с вольфрамовой нитью получили после 1910 г., когда был найден способ изготовления тянутых нитей из вольфрама.
Первые лампы с вольфрамовой нитью довольно быстро перегорали. Начались поиски причин быстрой «смерти» ламп. Оказалось, что на вольфрамовый волосок вредно влияет воздух, который все же оставался в лампе после его откачивания. Тогда при изготовлении электрических ламп с вольфрамовой нитью стали особенно тщательно следить за тем, чтобы воздух был по возможности полностью удален из баллона лампы.
Но появилась новая беда: вольфрамовая нить при высокой температуре довольно сильно испарялась и в результате этого очень быстро разрушалась. Тогда для уменьшения испарения металла баллон лампы решили наполнить газом, не действующим на раскаленную нить, таким, как аргон и азот. Распыление нити стало меньше. Уменьшение разрушения вольфрамовой нити позволило поднять температуру ее накала выше, чем в пустотных лампах. Отсюда большая яркость и экономичность газонаполненных ламп.
В таком виде и существует в наши дни электрическая лампа накаливания.
Последнее время учеными ведутся работы по изготовлению нитей накала из сверхтугоплавких веществ. К таким веществам относятся, например, химические соединения карбид-тантал и карбид-цирконий. Нить накала, изготовленная из этих веществ, способна выдерживать температуру свыше 4000 °С.
Не забыта в наше время и дуговая лампа. Ученые много сделали для совершенствования электрических дуговых ламп. Вытесненные с улиц, эти мощные лампы успешно применяются в прожекторах, на маяках, в кинопроекционных аппаратах.
Рассказ четвертый
Семидесятые годы прошлого столетия — это время перехода электрической лампы из лаборатории ученых в дома, на производство. Большую роль в этом сыграли работы Т. Эдисона.
Во-первых, он усовершенствовал лампу Лодыгина, увеличив разрежение в баллоне и применив в качестве нитей накаливания обугленные бамбуковые волокна. Эдисон придумал такжепатронк лампе ивыключатель— приспособления, которыми мы пользуемся до сих пор. Но сама лампа изменилась: теперь в ней накаливается не бамбуковое волокно, а вольфрамовая нить. Это усовершенствование внес в эдисонову лампу Лодыгин. Так дважды скрещивались творческие замыслы двух изобретателей.
Во-вторых, Эдисон построил генератор электрической энергии (динамо-машину), способный питать электрическим током несколько десятков ламп так, что они могли гореть независимо друг от друга (решил задачу дробления электроэнергии).
В-третьих, изобрел счетчик электроэнергии, который позволял определять израсходованную электроэнергию. В работе счетчика Эдисон использовал химическое действие тока. Вы знаете, что при прохождении тока через раствор электролита (например, раствор медного купороса) на катоде выделяется вещество (в данном случае Медь). Чем больше зарядов проходит через раствор электролита, тем больше вещества выделяется на катоде.
Счетчик состоял из сосуда с раствором медного купороса, в который были опущены две пластины. Когда счетчик включали в сеть, одна пластина заряжалась положительно (анод), другая — отрицательно (катод). В конце какого-нибудь промежутка времени, например каждого месяца, определяли массу меди, выделившейся на катоде, и по законам электролиза рассчитывали израсходованную электроэнергию.
В настоящее время используют счетчики, действие которых основано на явлении движения проводника в магнитном поле.
В-четвертых, Эдисоном были изобретеныплавкие предохранителии многое другое, что позволило широко использовать электрическое освещение.
Именно поэтому Эдисона называют отцом современного электрического освещения.
Рассказ пятый
Современная электрическая лампа накаливания
Но кроме электрических ламп, используемых для освещения, существуют и другие типы ламп. ламп снабжен штыковым затвором. Их вставляют в специальный патрон с пружиной и вырезами для штифтов и поворачивают.
Кроме этих ламп, наша промышленность выпускает и другие. Такие, как лампы-гиганты, применяемые для морских маяков. Некоторые из них имеют высоту более метра, массу свыше 7 кг, а мощность 50 000 Вт. Существуют и лампы-малютки массой 0,02 г и мощностью 0,4 Вт. Такие лампы используют в медицине.
Современная лампа накаливания — очень удобный, безопасный и дешевый источник света. Но в ней лишь 7% энергии превращается в энергию видимого света. Будущее принадлежит совсем иным лампам — лампам дневного света (об их устройстве и работе вы узнаете в старших классах), которые более экономичны и дают свет, более похожий на дневной.
Интересно знать
В древних архивах сохранились записи, свидетельствующие о том, что императора Нерона, страдавшего ревматизмом, придворные врачи лечили электрованнами. Для этого в деревянную кадку с водой помещали рыб, способных испускать электрические разряды. Находясь в такой ванне, император в течение предписанного врачами времени подвергался действию электрических разрядов и полей. Лечение проходило успешно.
Впервые вне лаборатории и классной комнаты электрическая дуга была применена в 1845 г. в Парижской опере, чтобы воспроизвести эффект восходящего солнца. Успех был полный!
В прошлом веке в Швейцарии была изобретена «электрическая нянька». Изобретатель предложил в детской кроватке под простыню подкладывать две тонкие металлические сетки, изолированные друг от друга сухой прокладкой и соединенные с низковольтным источником тока и звонком. Как только прокладка намокала, электрическая цепь замыкалась и начинал звенеть звонок, извещая мать о том, что нужно сменить пеленки.
В Таиланде при строительстве линий электропередач перед электриками неожиданно возникли две проблемы. Первая — как предохранить линии высокого напряжения от обезьян, которые, подражая монтерам, легко влезают на опорные столбы и, играя проводами, производят короткие замыкания. Вторая — как обезопасить линии от слонов, выворачивающих опоры.
Юным техникам, вероятно, хорошо знакомы лампочки для карманных фонарей. Они меньше осветительных по размерам и рассчитаны на напряжение 3,5 В.Лампы, применяемые в устройствах, подвергающихся тряске (в автомобилях, киноаппаратах), не имеют винтовой нарезки на цоколях. Цоколь этих ламп снабжен штыковым затвором. Их вставляют в специальный патрон с пружиной и вырезами для штифтов и поворачивают (.
Кроме этих ламп, наша промышленность выпускает и другие. Такие, как лампы-гиганты, применяемые для морских маяков. Некоторые из них имеют высоту более метра, массу свыше 7 кг, а мощность 50 000 Вт. Существуют и лампы-малютки массой 0,02 г и мощностью 0,4 Вт. Такие лампы используют в медицине.
Современная лампа накаливания — очень удобный, безопасный и дешевый источник света. Но в ней лишь 7% энергии превращается в энергию видимого света. Будущее принадлежит совсем иным лампам — лампам дневного света (об их устройстве и работе вы узнаете в старших классах), которые более экономичны и дают свет, более похожий на дневной.
Интересно знать
В древних архивах сохранились записи, свидетельствующие о том, что императора Нерона, страдавшего ревматизмом, придворные врачи лечили электрованнами. Для этого в деревянную кадку с водой помещали рыб, способных испускать электрические разряды. Находясь в такой ванне, император в течение предписанного врачами времени подвергался действию электрических разрядов и полей. Лечение проходило успешно.
Впервые вне лаборатории и классной комнаты электрическая дуга была применена в 1845 г. в Парижской опере, чтобы воспроизвести эффект восходящего солнца. Успех был полный!
В прошлом веке в Швейцарии была изобретена «электрическая нянька». Изобретатель предложил в детской кроватке под простыню подкладывать две тонкие металлические сетки, изолированные друг от друга сухой прокладкой и соединенные с низковольтным источником тока и звонком. Как только прокладка намокала, электрическая цепь замыкалась и начинал звенеть звонок, извещая мать о том, что нужно сменить пеленки.
В Таиланде при строительстве линий электропередач перед электриками неожиданно возникли две проблемы. Первая — как предохранить линии высокого напряжения от обезьян, которые, подражая монтерам, легко влезают на опорные столбы и, играя проводами, производят короткие замыкания. Вторая — как обезопасить линии от слонов, выворачивающих опоры.
«Багдадская батарея».Возьмите обычный лимон, воткните в него оцинкованный гвоздь (это будет «минус») и медную монету («плюс»). Такая «батарейка» способна выдать примерно 1 вольт. Четырех лимонов достаточно, чтобы зажечь маленький светодиод.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящее время электрическая энергия имеет огромное применение во всех сферах человеческой деятельности Электроэнергия , вырабатываемое огромными атомными; гидро; тепло; газотурбинными и другими электростанциями транспортируется по линиям электропередач (ЛЭП) к городам; поселкам промышленным районам и объектам освещает улицы и дома , обогревает , крутит электрические машины, при помощи которых мощные электровозы перевозят составы с всевозможными грузами, вращает гребные валы огромных ледоколов и военных подводных лодок, при помощи электроэнергии работают всевозможные краны и конвейеры, троллейбусы и трамваи перевозят пассажиров используя для движения также электроэнергию, всевозможные электроприборы которые используют в медицине и в быту которые являются первейшими помощниками, электроэнергия обеспечивает работу практически всех приборов связи включая и космическую, телевидение и радио, звучание музыки.
Другими словами – человечество и не мыслит своё существование на нашей планете без электрической энергии.
Список использованной литературы
БСЭ, том 30, стр. 48-49, столбцы 130-133
Книга для чтения по физике: Учебное пособие для учащихся 6-7 классов средней школы
Составитель И Г. Кириллова стр.148 171
Журнал «Мир Фантастики» № 9 сентябрь 2006г стр. 131
superbotanik.net
Министерство образования и высшей школы Республики Коми
Управление образования администрации МО «Городской округ Усинск»
Муниципальная средняя общеобразовательная школа 5
Реферат
по физике
на тему: «Электрические явления»
2008 г.
Оглавление
Введение
Основная часть
Заключение
Список использованной литератуы
Введение
Электричество – совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием электрически зараженных тел или частиц, Взаимодействие электрических зарядов осуществляется с помощью электромагнитного поля ( в случае неподвижных электрических зарядов – электростатические поля). Движущиеся заряды (электрический ток) наряду с электрическим возбуждают и магнитное поле, т.е. порождают электромагнитное поле, посредством которого осуществляется электромагнитное взаимодействие(учение о магнетизме, т.о., является составной частью общего учения об электричестве). Электромагнитные явления описываются классической электродинамикой, в основе которой лежат уравнения Максвелла.
Законы классической теории электричества охватывают огромную совокупность электромагнитных процессов. Среди 4 типов взаимодействий ( электромагнитных, гравитационных, сильных и слабых), существовавших в природе, электромагнитные занимают первое место по широте и разнообразию проявлений. Это связано с тем, что все тела построены из электрически заряженных частиц противоположенных знаков, взаимодействие между которыми, с одной стороны, на много порядков интенсивнее гравитационных и слабых, а с другой – являются дальнодействующими в отличии от сильных взаимодействий, Строение атомных оболочек, сцепление атомов в молекулы (хим. Силы) и образование конденсированного вещества определяются электромагнитным взаимодействием.
Цель Реферата в том, чтобы показать , что человечество не мыслит своё существование на Земле без электричества.
Историческая справка . Простейшие электрические и магнитные явления известны ещё с глубокой древности. Были найдены минералы, притягивающие кусочки железа, а также обнаружено, что янтарь( от греческого электрон, отсюда термин электричества), потертый о шерсть, притягивает легкие предметы (электризация трением). Однако лишь в 1600 У. Гильберт впервые установил различия между электрическими и магнитными явлениями, Он открыл существование магнитных полюсов и неотделимость их друг от друга, а также установил, что земной шар – гигантский магнит.
В 17 – 1-й пол. 18 вв. проводились многочисленные опыты с наэлектризованными телами, были построены первые электростатические машины, основанные на электризации тернием, установлено существование электрических зарядов двух родов (Ш. Дюфе), обнаружена электропроводность металлов (англ. Ученый С. Грей). С изобретением первого конденсатора – лейденские банки (1745) – появилась возможность накапливать большие электрические заряды. В 1747-53 Б. Франклин изложил первую последовательную теорию электрических явлений, окончательно установил электрическую природу молнии и изобрел молниеотвод.
Во 2-й пол. 18 в. Началось количественное изучение электрических и магнитных явлений, Появились первые измерительные приборы – электроскопы различных конструкций, электрометры. Г. Кавендиш (1773) и Ш. Кулон (1785) экспериментально установили закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов ( работы Кавендиша были опубликованы лишь в 1879). Этот основой закон электростатики (Кулона закон) впервые позволил создать метод измерение электрических зарядов по силам взаимодействия между ними, Кулон установил также закон взаимодействия между полюсами длинных магнитов и ввёл понятие о магнитных зарядах, сосредоточенных на концах магнитов.
Следующий этап в развитии науки об электричестве связан с открытием в кон. 18 в. Л. Гальвани «животного электричества» и работами А. Вольты, который правильно истолковал опыты Гальвани присутствием в замкнутой цепи 2 разнородных металлов в жидкости и изобрел первый источник электрического тока – гальванический элемент(вольтов столб 1800), создающий непрерывный(постоянный) ток в течение длительного времени, В 1802 В.В. Петров, построив гальванический элемент значительно большей мощности, открыл электрическую дугу, исследовал её свойства и указал на возможность применения её для освещения, а также для плавления и сварки металлов. Г. Дэви электролизом водных растворов щелочей получил (1807) неизвестные ранее металлы – натрий и калий. Дж. П. Джоуль установил (1841), что количество теплоты, выделяемой в проводнике электрическим током, пропорциональна квадрату силы тока; этот закон был обоснован (1842) точными экспериментами Э. Х. Ленца (закон Джоуля – Ленца). Г.Ом установил (1826) количество зависимости электрического тока от напряжения в цепи. К. Ф. Гаусс сформулировал (1830) основную теорему электростатики (теорема Гаусса).
Наиболее фундаментальное открытие было сделано Х. Эрстедом в 1820; он обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку – явление, свидетельствовавшее о связи между электричеством и магнетизмом. Вслед за этим в том же году А. М. Ампер установил закон взаимодействия электрических токов(закон Ампера) Он показал также, что свойства постоянных магнитов могут быть объяснены на основе предположения о том, что в молекулах намагниченных тел циркулируют постоянные электрические токи(молекулярные токи). Т. О., согласно Амперу, все магнитные явления сводятся к взаимодействиям токов, магнитных же зарядов не существует. Со времени открытий Эрстеда и Ампера учение о магнетизме сделалось составной частью учений об электричестве
Со 2-й четв. 19 в. Началось быстрое проникновение электричества в технику. В 20-х гг. появились первые электромагниты. Одним из первых применений электричества был телеграфный аппарат, в 30 - 40-х гг. построены электродвигатели и генераторы тока, а в 40-х гг. – электрические осветительные устройства и т. д. Практическое применения электричества в дальнейшем всё более возрастало, что в свою очередь оказало существенное влияние на учение об электричестве.
В 30 – 40-х гг. 19 в. В развитие науки об электричестве внёс большой вклад М.
Фарадей- творец общего учения об электромагнитных явлениях, в в котором все электрические и магнитные явления рассматриваются с единой точки зрения. С помощью опытов он доказал, что действие электрических зарядов и токов не зависят от способа их получения [до Фарадея»обыкновенное» (полученное при электризации трением), атмосферное, «гальваническое», магнитное, термоэлектрическое, «животное» и др. виды электричества]. В 1831 Фарадей открыл индукцию электромагнитную – возбуждения электрического тока в контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Это явление (наблюдавшееся в 1832 также Дж. Генри) составляет фундамент электротехники. В 1833-34 Фарадей установил законы электролиза; эти его работы положили начало электрохимии. В дальнейшем он, пытаясь найти взаимосвязь электрических и магнитных явлений с оптическими, открыл поляризацию диэлектриков (1837), явления парамагнетизма и диамагнетизма (1845), магнитное вращение плоскости поляризации света (1845) и др.
Фарадей впервые ввёл представление об электрических и магнитных полях. Он отрицал концепцию дальнодействия, сторонники которой считали, что тела непосредственно (через пустоту) на расстояние действуют друг на друга. Согласно идеям Фарадея, взаимодействия между зарядами и токами осуществляется посредством промежуточных агентов: заряды и токи создают в окружающем пространстве электрические или магнитные поля, с помощью которых взаимодействие передается от точки к точке (концепция близкодействия). В основе его представлений об электрических и магнитных полях лежало понятие силовых линий, которые он рассматривал, как механические образования в гипотетической среде – эфире, подобные растянутым упругим нитям или шнурам.
Идеи Фарадея о реальности электромагнитного поля не сразу получили признание, Первая математическая формулировка законов электромагнитной индукции была дана Ф Нейманом в 1845 на языке концепции дальнодействия. Им же были введены важные понятия коэффициентов само- и взаимодукции токов. Значение этих понятий полностью раскрылось позднее, когда У. Томсон ( лорд Кельвин) развил (1853) теории электрических колебаний в контуре, состоящем из конденсатора (электроёмкость) и катушки (индуктивность.
Большое значения для развития учения об электричестве имело создание новых приборов и методов электрических измерений, а также единая система электрических и магнитных единиц измерений,, созданная Гауссом и В. Вебером (система единиц гаусса). В 1846 Вебер указал на связь силы тока с плотностью электрических зарядов в проводнике и скоростью их упорядочного перемещения. Он установил также закон взаимодействия движущихся точечных зарядов, который содержал новую универсальную электродинамическую постоянную, представляющею собой отношение электростатических и электромагнитных единиц заряда и имеющею размерность скорости. При экспериментальном определении ( Вебер и Ф. Кольрауш, 1856) этой постоянной было получено значение, близкое к скорости света; это явилось определенным указанием на связь электромагнитных явлений с оптическими.
В 1861 – 73 учение об электричестве получило своё развитие и завершение в работах Дж. К. Максвелла. Опираясь на эмпирические законы электромагнитных явлений ,и введя гипотезу о порождение магнитного поля переменным электрическим полем, Максвелл сформулировал фундаментальные уравнения классической электродинамики, названные его именем. При этом он, подобно Фарадею, рассматривал электромагнитные явления как некоторую форму механических процессов в эфире. Главное новое следствие, вытекающее из этих уравнений,- существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Уравнения Максвелла легли в основу электромагнитной теории света. Решающее подтверждение теория Максвелла нашла в 1886-89, когда Г. Герц экспериментально установил существование электромагнитных волн. После его открытия были предприняты попытки установить связь с помощью электромагнитных волн, завершившиеся созданием радио, и начались интенсивные исследования в области радиотехники.
mirznanii.com
Министерство образования и высшей школы Республики Коми
Управление образования администрации МО «Городской округ Усинск»
Муниципальная средняя общеобразовательная школа 5
Реферат
по физике
на тему: «Электрические явления»
2008 г.
Оглавление
Введение
Основная часть
Заключение
Список использованной литератуы
Введение
Электричество - совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием электрически зараженных тел или частиц, Взаимодействие электрических зарядов осуществляется с помощью электромагнитного поля ( в случае неподвижных электрических зарядов - электростатические поля). Движущиеся заряды (электрический ток) наряду с электрическим возбуждают и магнитное поле, т.е. порождают электромагнитное поле, посредством которого осуществляется электромагнитное взаимодействие(учение о магнетизме, т.о., является составной частью общего учения об электричестве). Электромагнитные явления описываются классической электродинамикой, в основе которой лежат уравнения Максвелла.
Законы классической теории электричества охватывают огромную совокупность электромагнитных процессов. Среди 4 типов взаимодействий ( электромагнитных, гравитационных, сильных и слабых), существовавших в природе, электромагнитные занимают первое место по широте и разнообразию проявлений. Это связано с тем, что все тела построены из электрически заряженных частиц противоположенных знаков, взаимодействие между которыми, с одной стороны, на много порядков интенсивнее гравитационных и слабых, а с другой - являются дальнодействующими в отличии от сильных взаимодействий, Строение атомных оболочек, сцепление атомов в молекулы (хим. Силы) и образование конденсированного вещества определяются электромагнитным взаимодействием.
Цель Реферата в том, чтобы показать , что человечество не мыслит своё существование на Земле без электричества.
Историческая справка. Простейшие электрические и магнитные явления известны ещё с глубокой древности. Были найдены минералы, притягивающие кусочки железа, а также обнаружено, что янтарь( от греческого электрон, отсюда термин электричества), потертый о шерсть, притягивает легкие предметы (электризация трением). Однако лишь в 1600 У. Гильберт впервые установил различия между электрическими и магнитными явлениями, Он открыл существование магнитных полюсов и неотделимость их друг от друга, а также установил, что земной шар - гигантский магнит.
В 17 - 1-й пол. 18 вв. проводились многочисленные опыты с наэлектризованными телами, были построены первые электростатические машины, основанные на электризации тернием, установлено существование электрических зарядов двух родов (Ш. Дюфе), обнаружена электропроводность металлов (англ. Ученый С. Грей). С изобретением первого конденсатора - лейденские банки (1745) - появилась возможность накапливать большие электрические заряды. В 1747-53 Б. Франклин изложил первую последовательную теорию электрических явлений, окончательно установил электрическую природу молнии и изобрел молниеотвод.
Во 2-й пол. 18 в. Началось количественное изучение электрических и магнитных явлений, Появились первые измерительные приборы - электроскопы различных конструкций, электрометры. Г. Кавендиш (1773) и Ш. Кулон (1785) экспериментально установили закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов ( работы Кавендиша были опубликованы лишь в 1879). Этот основой закон электростатики (Кулона закон) впервые позволил создать метод измерение электрических зарядов по силам взаимодействия между ними, Кулон установил также закон взаимодействия между полюсами длинных магнитов и ввёл понятие о магнитных зарядах, сосредоточенных на концах магнитов.
Следующий этап в развитии науки об электричестве связан с открытием в кон. 18 в. Л. Гальвани «животного электричества» и работами А. Вольты, который правильно истолковал опыты Гальвани присутствием в замкнутой цепи 2 разнородных металлов в жидкости и изобрел первый источник электрического тока - гальванический элемент(вольтов столб 1800), создающий непрерывный(постоянный) ток в течение длительного времени, В 1802 В.В. Петров, построив гальванический элемент значительно большей мощности, открыл электрическую дугу, исследовал её свойства и указал на возможность применения её для освещения, а также для плавления и сварки металлов. Г. Дэви электролизом водных растворов щелочей получил (1807) неизвестные ранее металлы - натрий и калий. Дж. П. Джоуль установил (1841), что количество теплоты, выделяемой в проводнике электрическим током, пропорциональна квадрату силы тока; этот закон был обоснован (1842) точными экспериментами Э. Х. Ленца (закон Джоуля - Ленца). Г.Ом установил (1826) количество зависимости электрического тока от напряжения в цепи. К. Ф. Гаусс сформулировал (1830) основную теорему электростатики (теорема Гаусса).
Наиболее фундаментальное открытие было сделано Х. Эрстедом в 1820; он обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку - явление, свидетельствовавшее о связи между электричеством и магнетизмом. Вслед за этим в том же году А. М. Ампер установил закон взаимодействия электрических токов(закон Ампера) Он показал также, что свойства постоянных магнитов могут быть объяснены на основе предположения о том, что в молекулах намагниченных тел циркулируют постоянные электрические токи(молекулярные токи). Т. О., согласно Амперу, все магнитные явления сводятся к взаимодействиям токов, магнитных же зарядов не существует. Со времени открытий Эрстеда и Ампера учение о магнетизме сделалось составной частью учений об электричестве
Со 2-й четв. 19 в. Началось быстрое проникновение электричества в технику. В 20-х гг. появились первые электромагниты. Одним из первых применений электричества был телеграфный аппарат, в 30 - 40-х гг. построены электродвигатели и генераторы тока, а в 40-х гг. - электрические осветительные устройства и т. д. Практическое применения электричества в дальнейшем всё более возрастало, что в свою очередь оказало существенное влияние на учение об электричестве.
В 30 - 40-х гг. 19 в. В развитие науки об электричестве внёс большой вклад М.
Фарадей- творец общего учения об электромагнитных явлениях, в в котором все электрические и магнитные явления рассматриваются с единой точки зрения. С помощью опытов он доказал, что действие электрических зарядов и токов не зависят от способа их получения [до Фарадея»обыкновенное» (полученное при электризации трением), атмосферное, «гальваническое», магнитное, термоэлектрическое, «животное» и др. виды электричества]. В 1831 Фарадей открыл индукцию электромагнитную - возбуждения электрического тока в контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Это явление (наблюдавшееся в 1832 также Дж. Генри) составляет фундамент электротехники. В 1833-34 Фарадей установил законы электролиза; эти его работы положили начало электрохимии. В дальнейшем он, пытаясь найти взаимосвязь электрических и магнитных явлений с оптическими, открыл поляризацию диэлектриков (1837), явления парамагнетизма и диамагнетизма (1845), магнитное вращение плоскости поляризации света (1845) и др.
Фарадей впервые ввёл представление об электрических и магнитных полях. Он отрицал концепцию дальнодействия, сторонники которой считали, что тела непосредственно (через пустоту) на расстояние действуют друг на друга. Согласно идеям Фарадея, взаимодействия между зарядами и токами осуществляется посредством промежуточных агентов: заряды и токи создают в окружающем пространстве электрические или магнитные поля, с помощью которых взаимодействие передается от точки к точке (концепция близкодействия). В основе его представлений об электрических и магнитных полях лежало понятие силовых линий, которые он рассматривал, как механические образования в гипотетической среде - эфире, подобные растянутым упругим нитям или шнурам.
Идеи Фарадея о реальности электромагнитного поля не сразу получили признание, Первая математическая формулировка законов электромагнитной индукции была дана Ф Нейманом в 1845 на языке концепции дальнодействия. Им же были введены важные понятия коэффициентов само- и взаимодукции токов. Значение этих понятий полностью раскрылось позднее, когда У. Томсон ( лорд Кельвин) развил (1853) теории электрических колебаний в контуре, состоящем из конденсатора (электроёмкость) и катушки (индуктивность.
Большое значения для развития учения об электричестве имело создание новых приборов и методов электрических измерений, а также единая система электрических и магнитных единиц измерений,, созданная Гауссом и В. Вебером (система единиц гаусса). В 1846 Вебер указал на связь силы тока с плотностью электрических зарядов в проводнике и скоростью их упорядочного перемещения. Он установил также закон взаимодействия движущихся точечных зарядов, который содержал новую универсальную электродинамическую постоянную, представляющею собой отношение электростатических и электромагнитных единиц заряда и имеющею размерность скорости. При экспериментальном определении ( Вебер и Ф. Кольрауш, 1856) этой постоянной было получено значение, близкое к скорости света; это явилось определенным указанием на связь электромагнитных явлений с оптическими.
В 1861 - 73 учение об электричестве получило своё развитие и завершение в работах Дж. К. Максвелла. Опираясь на эмпирические зак...
www.tnu.in.ua
